Monographie. Pratique de la chromatographie ionique. Une Introduction

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1 Monographie Pratique de la chromatographie ionique Une Introduction

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3 Introduction à la pratique de la chromatographie ionique Dipl.-Ing. Claudia Eith Prof. Dr. Maximilian Kolb Prof. Dr. Andreas Seubert Dr. Kai Henning Viehweger (éditeur) Tous droits réservés, y compris de traduction. Imprimé par Metrohm SA, CH-9101 Herisau, Suisse Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 1

4 Table des matières 1 Les auteurs Introduction Partie théorique Histoire et signification de la chromatographie ionique Bases théoriques de la chromatographie Classification et terminologie de la chromatographie Concepts théoriques de description de la chromatographie Principes de base de la chromatographie ionique (CI) Terminologie et position au sein de la CL L échange ionique La formation de paires d ions L exclusion ionique Modèles de rétention de la chromatographie ionique Modèles de rétention pour la chromatographie d anions Modèles de rétention pour la chromatographie de cations Systèmes de détection en chromatographie ionique Méthodes de détection électrochimiques Méthodes de détection spectroscopiques Les phases stationnaires en chromatographie ionique Vue d ensemble sur les phases stationnaires courantes Les phases stationnaires en chromatographie d anions Les phases stationnaires en chromatographie de cations Échangeurs de cations à base de gel de silice Échangeurs de cations à base de polymères organiques Échangeurs de cations pelliculaires Phases stationnaires en chromatographie par exclusion ionique La signification de la capacité d échangeurs ioniques Éluants en chromatographie ionique Chromatographie d anions Chromatographie de cations Chromatographie d ions alcalins, alcalino-terreux et ammonium avec détection conductimétrique Chromatographie des ions métalliques de transition et alcalino-terreux avec dérivation post-colonne et détection photométrique Chromatographie par exclusion ionique Monographie Metrohm

5 4 Partie pratique Conseils relatifs aux travaux pratiques Expériences relatives à la théorie de la chromatographie ionique Expérience 1 Chromatographie ionique avec et sans suppression chimique Expérience 2 Capacité des colonnes de séparation Expérience 3 Sélectivité des colonnes de séparation Expérience 4 Calibrage, limites de détection et de détermination en chromatographie ionique Expérience 5 Variation de la sélectivité à l aide d éthers couronnes (18-couronne-6) Expérience 6 Variation de la sélectivité à l aide d agents complexants Expérience 7 Technique de préconcentration Expériences pour la détermination des anions Expérience 8 Anions dans l eau potable Expérience 9 Anions dans l éthanol et les alcools Expérience 10 Anions dans la laitue Expérience 11 Acide phosphorique dans les boissons à base de Cola Expérience 12 Acides organiques dans le vin Expérience 13 Contaminations dans le borate détermination du chlorure et du sulfate dans des solutions de borax Expérience 14 Anions dans les eaux usées Expérience 15 Fluorure dans des pâtes dentifrices Expérience 16 Anions dans le sucre blanc et le sucre roux Expérience 17 Contaminations dans le peroxyde d hydrogène Expériences pour la détermination des cations Expérience 18 Métaux alcalins et alcalino-terreux dans l eau potable Expérience 19 Détermination de métaux de transition Expérience 20 Contaminations présentes dans le gel de silice détermination des ions calcium et magnésium Expérience 21 Cosmétiques et protection contre la corrosion: détermination d éthanolamines et de métaux alcalins Expérience 22 Métaux alcalins et alcalino-terreux dans le vin Littérature Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 3

6 1 Les auteurs Claudia Eith Études de chimie à la Fachhochschule d Aalen (Allemagne); semestre pratique dans le domaine de l analyse de l eau potable et des eaux usées à Adélaïde (Australie). Depuis 2000, employée à Metrohm SA dans le département recherche & développement. Maximilian Kolb Études de chimie à l université technique de Munich (Allemagne); doctorat dans le domaine de la catalyse homogène, ensuite cinq années responsable du domaine du traitement des eaux au bureau central de l économie hydraulique de Traunstein. Depuis 1982, Professeur à la Fachhochschule d Aalen; domaine de travail: techniques et analyses relatives à la protection de l environnement et chimiométrie. Andreas Seubert Études de chimie à l université d Hanovre (Allemagne); doctorat obtenu en 1990 sur le thème: «Analyse d ultra-traces dans des métaux réfractaires de très haute pureté utilisant la séparation traces-matrice par chromatographie ionique»; professorat obtenu en 1995 sur le thème: «Applications du couplage on-line HPLC-spectrométrie atomique dans le domaine de l analyse élémentaire». De 1998 à 2000, professeur suppléant dans le département de chimie analytique de l université de l école supérieure générale de Kassel. Depuis mars 2000, professeur de chimie analytique à l université Philipps de Marburg. Kai Henning Viehweger Études de chimie à l université de Hambourg; thèse de diplôme dans le domaine de l analyse organique; doctorat dans le domaine de la recherche de systèmes écologiques marins et estuaires. Depuis 1996, employé à Metrohm SA, dans le département Marketing, en tant que responsable international des ventes de chromatographie ionique. 4 Monographie Metrohm

7 2 Introduction C est toujours un défi de représenter l abstrait. Les raisons de ce défi peuvent aller de la simple curiosité jusqu à une nécessité élémentaire permettant la survie. Il existe diverses façons de jeter un petit coup d oeil dans les coulisses. Le plus simple est de se servir des sens humains tels que l ouïe, l odorat, le toucher, le goût et la vue. L alchimie, autrefois, a souvent fait usage de ces sens humains. C est la raison pour laquelle on dit que les acides ont une goût acide et que le nom brome provient de «bromos», terme grec pour «puer». Le chrome apparaît à l oeil de façon coloré, car «chroma» correspond d un point de vue historique linguistique au mot couleur. Beaucoup d autres choses ne se montrent pas directement. Elles sont bien mélangées ou les méthodes d analyses sensorielles humaines ne suffisent pas à leur identification. C est le moment où l analyse rentre en jeu. Elle peut, à partir d un mélange indéfini extraire des informations extrêmement précises, pouvant alors être interprétées par les sens humains. Bien que l organisme en contienne beaucoup, ils ne se montrent pas directement aux sens humains; on considère ici les ions et chaque atome ou molécule chargé, faisant partie intégrante de presque toutes les matières vivantes et mortes. Les ions sont responsables du fait que les nerfs conduisent les informations, que la digestion fonctionne, que la pression sanguine soit correcte et que suffisamment d oxygène afflue dans le sang. Les ions amènent le sel à la mer, ils régulent la soif et des composés ioniques servent d alimentation à tous les êtres vivants de la bactérie à l être humain. Le fait de connaître le type et la quantité d ions présents dans l environnement aide à comprendre les processus relationnels biochimiques et écologiques. La connaissance de la concentration ionique dans les produits alimentaires livre des informations quant à leur qualité: si ces derniers sont bons pour la santé ou peut-être toxiques. Il existe de nombreuses possibilités de déterminer des ions, qualitativement selon leur type et quantitativement selon leurs concentrations. Ces deux informations jouent un rôle primordial. La chromatographie ionique est un procédé permettant d obtenir ce genre d informations. Chromatographie signifie littéralement «écrire avec des couleurs». Dans le domaine de l analyse traditionnelle, ceci signifie séparer les substances selon leur couleur, puis les déterminer de manière visuelle. Bien que tous les ions ne soient pas caractérisés par une couleur visible, cette expression est restée. Actuellement, d autres procédés de détermination sont mis en application. La chromatographie ionique fait partie de la grande famille de ces procédés chromatographiques. Grâce à elle si l on part d un principe de présentation fort simple il est possible de déterminer tous les ions portant une charge mono- ou bivalente. Autrefois, la chromatographie ionique ou «CI» (en anglais, IC pour «ion chromatography») était réputée être un procédé très onéreux; ceci a énormément changé, elle est entre temps devenue beaucoup plus abordable. La CI représente aujourd hui un outil analytique universel, extrêmement performant et très facile d emploi. Ce recueil «Introduction à la pratique de la chromatographie ionique» montre que la CI n est plus une méthode analytique élitiste, mais qu elle est au contraire en position de donner une réponse rapide à des questions de la vie de tous les jours: cette eau potable est-elle adaptée à l alimentation des nourrissons? Combien de nitrates se trouvent dans les épinards? Pourquoi la machine à laver le linge est-elle autant chargée de calcaire? Cette eau usée est-elle polluante pour l environnement? Comme il est impensable d évoquer une pratique analytique exacte sans bases théoriques, la présente monographie contient des informations détaillées à ce sujet, dans la partie réservée plus particulièrement à la théorie. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 5

8 Grâce au recueil «Introduction à la pratique de la chromatographie ionique», il est possible non seulement de prendre connaissance des grandes lignes de la CI, mais également de donner un aperçu des principes généraux de la chromatographie. Et celle-ci permet beaucoup de choses: elle rassasie la curiosité relative aux sciences naturelles et garantie une survie saine dans un environnement relativement pollué. 6 Monographie Metrohm

9 3 Partie théorique 3.1 Histoire et signification de la chromatographie ionique La chromatographie ionique (CI) ou plus exactement la chromatographie par exclusion ionique débute au milieu du 19 e siècle. Entre 1935 et 1950, les connaissances relatives à l échange ionique et ses applications ont été énormément améliorées grâce au «Projet Manhattan». Les années 50 et 60 ont surtout permis de définir des modèles théoriques permettant l interprétation de l échange ionique ainsi que la compréhension de la chromatographie ionique, fondamentalement basée sur cet échange ionique. Dans les années 70, des détecteurs continus ont été mis en application et ont ainsi permis le passage de la chromatographie à basse pression à la chromatographie à haute pression ou à haute performance (HPLC). Tableau 1 Histoire de l échange ionique et de la chromatographie ionique en résultant Vers 1850 Sols en tant qu échangeur d ions pour Mg 2+, Ca 2+ + et NH 4 Thomson et Way 1935 Polymères condensés sulfonés et aminés Adams, Holmes (phénol/formaldéhyde) 1942 Résine sulfonée PS/DVB en tant qu échangeur d Alelio de cations (projet Manhattan) 1947 Résine aminée PS/DVB en tant qu échangeur d anions McBurney 1953 Chromatographie par exclusion d ions Wheaton, Baumann 1957 Échangeurs ioniques macroporeux Corte, Meyer, Kunin entre autres 1959 Principes de base de compréhension théorique Helfferich Échangeurs d ions pelliculaires Horvath, Kirkland 1975 Chromatographie par exclusion d ions avec détection conductimétrique à l aide d un «stripper» Small, Stevens, Baumann 1979 Détection conductimétrique sans «stripper» Gjerde, Fritz, Schmuckler Chromatographie ionique par paire d ions Waters, Bidlingmeier, Horvath entre autres CL HPLC Le terme «chromatographie ionique» fut introduit en 1975 avec l apparition de la détection conductimétrique en combinaison avec une réduction de conductivité chimique, par Small, Stevens et Bauman; cette expression fut pendant longtemps utilisée à des fins de marketing. Entre temps, le terme abrégé chromatographie ionique s est établi en tant que terme général pour les méthodes de la chromatographie par échange ionique, par exclusion ionique et par paire d ions, à l intérieur de la chromatographie liquide haute performance (HPLC) [1]. De nos jours, c est justement dans le domaine de la détermination des anions que la CI joue un rôle primordial, alors que la détermination des cations est de préférence réalisée à l aide de méthodes spectrométriques atomiques communes. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 7

10 Le domaine d application de la chromatographie d anions se situe aujourd hui dans le contrôle routinier de systèmes aqueux; l analyse de l eau potable jouant ici un rôle tout particulier [2, 3, 4]. D autre part, la CI est utilisée également pour l analyse d éléments se trouvant sous forme anionique ou complexe et ceci plus particulièrement lors de problèmes dans le cadre de la protection de l environnement. Le troisième domaine d application de la chromatographie ionique est l analyse des ultra-traces dans des produits chimiques de procédés de haute pureté, tels qu ils sont utilisés par exemple dans l industrie des semiconducteurs. Normalement, les échangeurs d anions utilisés en HPLC sont constitués de particules polymères sphériques de diamètre variant entre 5 et 15 µm. Sur la surface polymère sont déposés, à l aide de différents procédés, des groupements faisant fonction d ancre et ayant pour rôle de maintenir un certain espace (spacer) entre la base polymère et les véritables groupes fonctionnels. Ces derniers sont constitués en règle générale d ions ammonium quaternaires, fixés aux groupes ancres de manière chimique. Le nombre total de groupes fonctionnels définit la capacité d échange et représente une caractéristique primordiale des échangeurs ioniques. Les matériaux de remplissage de colonne de chromatographie d anions disponibles dans le commerce sont de faible capacité d échange variant, en règle générale, entre 50 et 100 µmol par colonne de séparation. Cela provient du fait que la détection conductimétrique est utilisée de préférence. Plus la conductivité propre du système d élution est faible, plus la sensibilité atteinte est importante. Les échangeurs d anions de faible capacité permettent l utilisation de solutions à base de NaOH très diluées ou de tampons à base de carbonate, dont la conductivité propre peut encore être réduite de manière chimique (phénomène connu sous le nom de suppression chimique) [2, 4]. De nos jours, dans le domaine de la chromatographie d anions, ce sont la plupart du temps des groupes fonctionnels de type I (triméthyle ammonium, TMA) et type II (diméthyle éthanol ammonium, DMEA) qui sont utilisés. Comme la véritable interaction entre la phase stationnaire et les anions analytes a lieu au niveau du groupe fonctionnel, cela signifie que la structure de ce dernier joue un rôle fondamental quant aux caractéristiques de sélectivité du matériau de remplissage. D après de très récents développements, la polarité des groupes fonctionnels, pouvant être contrôlée par le nombre de groupes de type hydroxyéthyle (-CH 2 CH 2 OH) restants sur l azote quaternaire, est d une importance toute particulière [2, 4]. Le terme chromatographie ionique inclue tous les modes de séparation d espèces ioniques à l intérieur de l HPLC avec détection en ligne et est ainsi largement indépendant des limites posées par les appareillages [5]. Grâce à l importante sélection de colonnes de séparation, de systèmes d élution et de détecteurs, la CI est devenue la méthode de choix, surtout pour l analyse des anions. En effet, il n existe que peu de procédés de séparation des anions. En outre, ceux-ci ne sont que peu adaptés à une application pratique. Les procédés gravimétriques et volumétriques sont limités par leur sensibilité et leur sélectivité. Même les développements fulgurants de la chromatographie gazeuse à partir de 1965 n ont pas apporté les avantages escomptés pour les anions, parce que les ions non volatils doivent tout d abord être dérivés et que la sensibilité n est pas suffisante pour assouvir les exigences actuelles de l analyse des traces [6]. Pour l analyse des cations, il existe des alternatives performantes à la CI, basées sur la spectrométrie atomique, telles que l ICP-AES/MS. Contrairement à l analyse des anions, l analyse chromatographique des cations n est donc pas nécessairement la méthode idéale. La chromatographie de cations possède cependant un certain intérêt dans le domaine de l analyse des alcalins et alcalino-terreux, par exemple pour la détermination de l azote-ammonium, dans le domaine de l analyse des eaux potables. Lors de la spéciation de composés ioniques, la CI en combinaison avec des détecteurs élémentaires spécifiques est indispensable. Les travaux de Haddad et al. et Weiss [2, 4] donnent une bonne vue d ensemble des différentes applications de la CI dans les divers domaines de l analyse. 8 Monographie Metrohm

11 3.2 Bases théoriques de la chromatographie Classification et terminologie de la chromatographie La chromatographie est un procédé physico-chimique permettant la séparation de substances en mélange. L effet de séparation est basé sur la distribution de ces substances entre une phase stationnaire et une phase mobile qui se dirige dans une direction définie [7, 8]. Les différentes techniques de la chromatographie sont organisées selon l état physique de ces deux phases: Figure 1 Répartition des méthodes chromatographiques selon l état physique des phases mobiles et stationnaires Une autre différenciation entre les méthodes chromatographiques peut être faite suivant les procédés de base intervenant pendant la séparation, tels que adsorption ou distribution, ou bien selon le type de technique utilisée (sur colonne ou plane) [9]. Paramètres de rétention Si on prend en considération un mélange de substances et que l on impose à ce mélange une séparation chromatographique, on observe pour chaque composé un équilibre de distribution entre la phase mobile et la phase stationnaire. Une séparation de substances n est alors réalisée avec succès que lorsque les coefficients de distribution D des composés diffèrent suffisamment les uns des autres. D est défini comme le rapport des concentrations d une substance A dans la phase stationnaire (index S ) et la phase mobile (index M ): (1) Il en résulte que les substances possédant un coefficient de distribution D élevé sont plus longtemps retenues que celles possédant une faible valeur de D. Le processus de séparation chromatographique est schématisé sous la forme d un chromatogramme, représentant le signal du détecteur en fonction du volume d élution de la phase mobile ou du temps. Le chromatogramme correspond ainsi à un profil de concentration ou de masse en fonction du temps. Le signal du détecteur doit être proportionnel à la concentration d un analyte en fin de processus de séparation [8]. Le temps de résidence ou temps de rétention brut t R d une substance sur la phase stationnaire est obtenu, comme représenté dans l équation 2, en additionnant le temps de rétention net t S (correspondant au temps de résidence réel pendant le processus de séparation) et le temps de passage de la phase mobile sans interaction, le temps mort t M. (2) Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 9

12 À cause de la formation de chemins préférentiels, de la diffusion des composés ou d irrégularités pendant l installation de l équilibre entre phase mobile et phase stationnaire, il est possible que des particules passent la phase stationnaire plus rapidement ou plus lentement qu escompté, par rapport au temps de rétention net t S. C est la raison pour laquelle un chromatogramme n est pas seulement composé de signaux bien pointus mais, dans le cas idéal, de pics gaussiens (voir figure 2). Les processus de diffusion prennent une importance plus particulière sur la phase stationnaire lorsque le temps de résidence augmente. C est pourquoi on observe un élargissement du pic lorsque le temps de rétention de la substance augmente. Ce phénomène est par ailleurs caractéristique de tout procédé chromatographique. Comme mentionné plus haut, un pic de chromatogramme ressemble, dans le cas idéal, à une distribution selon Gauss (figure 3). Figure 2 Chromatogramme d élution d une séparation de chromatographie ionique avec schématisation des grandeurs principales Figure 3 Distribution selon Gauss avec représentation des grandeurs principales 10 Monographie Metrohm

13 La largeur du pic à mi-hauteur, notée b 0,5, correspond à 2,354 fois l écart-type de la distribution. La largeur de base w est définie comme la distance obtenue entre les deux points d intersection des tangentes aux points d inflexion (à la montée et à la descente) avec l axe x. Cette largeur égale quatre fois l écart-type de la fonction de Gauss. Ces deux grandeurs sont essentielles pour évaluer l efficacité d une colonne de séparation chromatographique et peuvent être utilisées pour le calcul du nombre de plateaux, dans le cas de pic gaussiens. Les pics non idéaux peuvent être décrits à l aide de ce qu on appelle le facteur d asymétrie T. Ce dernier est défini comme le rapport entre les distances A et B entre les verticales centrales et les pentes de distribution à 10% de la hauteur (voir figures 2 et 3) et peut être calculé de la façon suivante: (3) Pour les pics de Gauss, T = 1 car le pic est parfaitement symétrique. Les déviations vers des valeurs T supérieures à 1 sont appelées «tailing» et celles vers des valeurs inférieures sont dénommées «fronting». En pratique, il est préférable d obtenir des facteurs d asymétrie T entre 0,9 et 1,1. Facteur de rétention, sélectivité et résolution Comme le temps de rétention brut t R dépend fortement des conditions chromatographiques, il n est caractéristique d une substance que lorsque ces conditions sont bien définies. Dans ce cas, il est ensuite utilisable pour une identification qualitative. C est la raison pour laquelle on introduit une grandeur sans unité, le facteur de rétention k, qui permet de s affranchir des conditions chromatographiques. Il permet de quantifier le temps de parcours total du composé par rapport au temps passé en contact avec la phase stationnaire [8]. D un point de vue mathématique, le facteur de rétention est défini comme le produit du coefficient de distribution D avec le rapport des volumes V S /V M de la phase stationnaire et la phase mobile. Le facteur de retention peut également être exprimé par le rapport entre temps de rétention net t S et temps mort t M. Un dernier mode de calcul utilise la longueur L du chemin de séparation et la vitesse u de la phase mobile (équation 4). (4) Pour des valeurs faibles de k, une substance est éluée peu de temps après le temps mort, ou dans un volume faiblement supérieur au volume mort du système de chromatographie. La séparation est alors inefficace. Si la valeur de k est très grande, la séparation est correcte mais le temps de résidence sur le chemin de séparation est très important, ce qui entraîne un élargissement du pic. En pratique, le facteur de rétention devrait se trouver entre 2 et 5. Deux analytes sont suffisamment séparées lorsque leurs facteurs de rétention diffèrent suffisamment les uns des autres. La sélectivité α, dénommé également facteur de séparation relatif, donne une information quant au pouvoir de séparation de deux substances et est défini de la manière suivante: (5) S il s avère impossible de séparer deux substances, on a α = 1 et on obtient une coélution. Plus α est grand, meilleure est la séparation. Cependant, la durée de séparation augmente également lorsque α augmente; c est la raison pour laquelle, en pratique, on essaie de se rapprocher le plus possible d une sélectivité α de l ordre de 1,5 [10]. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 11

14 La sélectivité ne donne aucune information quant à la qualité d un processus de séparation. La résolution R prend en considération non seulement les positions relatives des pics les uns par rapport aux autres, mais également leurs largeurs à mi-hauteur, b 0,5 ainsi que leurs largeurs de base w, comme l indique l équation 6. (6) Si la différence des temps de rétention de deux pics est grande par rapport à leurs largeurs de base, ou leurs largeurs à mi-hauteur, on obtient alors une haute résolution. En supposant une symétrie de pic idéale, il est encore possible d identifier deux substances lorsque R = 0,5. Pour des séparations qualitatives, il est préférable d avoir R = 1 (séparation 4 σ), pour une quantification, il est préférable d avoir une résolution variant de R = 1,2 à 1,5 [25]. Des résolutions de l ordre de R 2 (séparation 8 σ) ne sont pas souhaitables, car elles impliquent des temps d analyse très longs Concepts théoriques de description de la chromatographie Le modèle du nombre de plateaux théoriques Le modèle du nombre de plateaux théoriques observé lors de processus de distillation permet également de décrire les séparations chromatographiques [11]. Il sépare la phase stationnaire en plusieurs zones individuelles, appelées étages théoriques ou plateaux. Sur chacun de ces plateaux s installe exactement une fois un équilibre rapide réversible et infini entre phase mobile et phase stationnaire. La performance (efficacité) d un système de chromatographie est caractérisée par le nombre de ces plateaux théoriques. Le nombre de plateaux théoriques N peut être obtenu directement à partir du chromatogramme, en utilisant l écart-type, la largeur de base w ou la largeur de pic à mi-hauteur b 0,5 et peut être calculé de la manière suivante [12]: (7) Il est également possible d utiliser la hauteur équivalente à un plateau théorique, appelée en anglais: HETP (Height Equivalent to a Theoretical Plate) pour décrire la performance de séparation. (8) À partir des équations 5 à 8, on peut déduire qu une phase stationnaire possédant un très grand nombre de plateaux théoriques est encore capable de séparer deux substances l une de l autre même lorsque leurs facteurs de rétention ne diffèrent que très peu l un de l autre, c est à dire même lorsque la sélectivité est proche de 1. Les équations permettent également le calcul du nombre de plateaux théoriques absolument indispensable à la résolution de problèmes de séparation. Le modèle des plateaux théoriques peut également être utilisé pour expliquer l apparition de signaux gaussiens en chromatographie. En effet, les processus de courant et de diffusion ne permettent l obtention que d un état d équilibre rapide fini et incomplet entre la phase mobile et la phase stationnaire. Il en résulte un élargissement des pics car en début du chemin de séparation, les zones de substance étroites deviennent clairement plus larges lorsque le temps de résidence sur la phase stationnaire augmente. 12 Monographie Metrohm

15 Le calcul du nombre de plateaux théoriques selon l équation 7 est basé sur une forme de pic idéale, rarement rencontrée. Lorsque les pics sont asymétriques, le calcul doit être effectué par l intermédiaire de la méthode des moments [13]. L équation 9 donne, en prenant compte du facteur d asymétrie T, des valeurs proches de la réalité. (9) Le nombre de plateaux effectifs n, se rapprochant de façon plus réelle de la performance de séparation que le nombre de plateaux théoriques N, est corrigé par le facteur de rétention k et peut être calculé de la façon suivante: (10) La théorie dynamique (selon van Deemter) La faiblesse décisive du modèle basé sur les plateaux théoriques réside dans le fait que la distillation et la chromatographie sont deux processus physico-chimiques fondamentalement différents. En outre, certains paramètres importants pourtant expérimentalement accessibles ne sont pas pris en compte alors qu ils peuvent affecter le type ou la qualité de la phase stationnaire elle-même [14, 15]. Ces derniers pourraient être: Vitesse de débit de la phase mobile Diamètre des particules de la phase stationnaire Épaisseur de couche des films de surface sur le matériau En plus, des grandeurs telles que les coefficients de diffusion dans les phases mobile et stationnaire, la température ou le volume du détecteur jouent un rôle fondamental sur la performance de séparation en chromatographie liquide. La théorie dynamique développée par van Deemter est basée sur le modèle des plateaux théoriques, mais prend en considération les conditions limitantes non idéales [16]. Les hypothèses suivantes sont faites: Pas d établissement spontané et non entravé des équilibres Transport des masses retardé dans les phases mobile et stationnaire Pas de débit homogène de la phase mobile sur une section de colonne Apparition de diffusion et formation de canaux préférentiels dans la phase stationnaire Diffusion longitudinale indépendante de la vitesse de la phase mobile et directement proportionnelle au temps de résidence sur le chemin de séparation La relation entre les effets dynamiques cités et la hauteur des plateaux théoriques est exprimée dans l équation de van Deemter. (11) Les trois termes A, B à C dépendent de façon différente de la vitesse de débit u de la phase mobile. Les termes A et B décrivent le transport de masse complet à travers la phase stationnaire, tandis que le terme C est déterminé par des interférences lors de l établissement de l équilibre entre la phase mobile et la phase stationnaire. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 13

16 Le terme A décrit la diffusion turbulente, pouvant être assimilée à un élargissement de pic à cause d un effet multi-chemins. Ce terme est aussi connu sous le nom de «facteur matériau» et est indépendant de la vitesse de débit linéaire u de la phase mobile, ceci en première approximation. La relation suivante s applique pour le terme A: A = 2 λ d P (12) Dans l équation (12), d p est le diamètre moyen de particule dans la phase stationnaire, λ représente l irrégularité statistique du matériau, devant être idéalement le plus homogène possible et formé de particules toutes identiques. Le terme B décrit la diffusion longitudinale à co-courant ou à contre-courant de la phase mobile. Il prend une importance toute particulière lors de l utilisation de colonnes capillaires en chromatographie gazeuse (CG), car les coefficients de diffusion dans les gaz sont de 4 à 5 ordres de grandeurs supérieurs aux coefficients de diffusion dans les liquides. B est calculé comme le produit entre les coefficients de diffusion dans la phase mobile D M et le facteur labyrinthe γ, lequel décrit la porosité de la phase stationnaire. B = 2 γ D M (13) Comme l importance de la diffusion diminue avec une augmentation de la vitesse de débit de la phase mobile, B est inversement proportionnel à u. Le terme C décrit le transfert de masse. Le transfert de masse ralenti entre phase mobile et phase stationnaire influe énormément sur l élargissement des pics. Les interférences d établissement d équilibre entre phase mobile et stationnaire deviennent de plus en plus grandes lorsque u augmente; c est la raison pour laquelle il y a une directe proportionnalité à la vitesse de débit linéaire. Les retards de transfert de masse résultent des faibles valeurs des coefficients de diffusion D S dans la phase stationnaire comparativement à la phase mobile. C est la raison pour laquelle des particules profondément incluses dans les pores de la phase stationnaire restent derrière le maximum du pic, lequel avance avec la phase mobile. La terme C peut être réduit de manière remarquable, grâce à de courts chemins de diffusion et des procédés d échange rapides. Ceci peut être réalisé à l aide d une localisation des pores essentiellement en surface. Peu de particules parviennent alors à atteindre le coeur de la phase stationnaire. Le terme de transfert de masse C est calculé de la manière suivante: (14) La représentation graphique de l équation de van Deemter est une courbe hyperbolique dont le minimum correspond au débit u opt pour une hauteur de plateau minimale (nombre de plateaux théoriques maximal) (figure 4). Figure 4 Représentation des termes individuels à partir de la théorie de van Deemter avec la courbe qui en résulte, faisant apparaître le débit optimal u opt 14 Monographie Metrohm

17 Même la théorie dynamique est finalement basée sur des conditions idéales. En réalité, les trois termes A, B et C ne sont indépendants les uns des autres qu en première approximation; il existe un effet supplémentaire de la vitesse de débit u sur la diffusion turbulente (en anglais: eddy diffusion, terme A). Le terme C peut être scindé en deux termes C M et C S, décrivant respectivement le transfert de masse de la phase mobile vers la phase stationnaire (C M ) et inversement. C est ainsi que l équation originale de van Deemter a été modifiée lors de nombreuses applications en HPLC, GC et TLC (thin-layer chromatography = chromatographie en couche mince CCM) [17, 18]. Chromatographie liquide moderne (CL) Le terme chromatographie liquide, en anglais «liquid chromatography» (LC) est un terme général pour de nombreux procédés de séparation de chromatographie liquide. Cette méthode peut être utilisée pour les classes de substances les plus diverses et se caractérise par sa performance analytique excellente. C est probablement aujourd hui la méthode de séparation la plus importante dans la chimie analytique moderne [3]. La chromatographie ionique (CI) représente une partie de la chromatographie liquide. L HPLC représente l un des développements de la chromatographie liquide classique (CL). La CL classique, introduite par Tswett en 1906, utilise des colonnes de verre de diamètre variant entre 1 et 5 cm et de longueur maximale 500 cm, remplies de phase de séparation avec des tailles de particules allant de 150 à 200 µm. Même les séparations de mélanges de matières simples duraient souvent plusieurs heures et disposaient de performance de séparation médiocre. Grâce à une compréhension croissante de la chromatographie (voir équation 11), il est rapidement apparu qu une augmentation de performance était possible uniquement grâce à une importante réduction du diamètre des particules de la phase stationnaire. Cependant, cela posait de toutes nouvelles exigences quant aux équipements de chromatographie. Depuis environ 1970, une technique d appareillage spéciale et beaucoup plus performante est à notre disposition. Elle est en mesure de supporter des pressions retours élevées variant de 10 à 50 MPa pouvant être obtenues lors de l utilisation de matériaux possédant un diamètre allant de 3 à 10 µm et de colonnes de séparation de longueur 125 à 250 mm x 4 mm DI. Grâce à l importante miniaturisation, l HPLC est devenue une méthode de séparation uniquement analytique, alors que la CL classique n est utilisée à l heure actuelle qu à des buts préparatifs. Les avantages de l HPLC comparativement à la CL classique sont avant tout les suivants: Efficacité chromatographique excellente Travail continu Détection en ligne des substances séparées Haute sensibilité et reproductibilité Utilisation des temps de rétention pour une identification qualitative des matières Durées d analyse courtes Quel que soit le domaine d application, un système HPLC est constitué en règle générale des éléments représentés dans la figure 5: pompe haute performance avec réservoir pour la phase mobile (éluant), injecteur (introduction de l échantillon), colonne de séparation et système de détection (y compris dérivation, enregistrement et traitement des données): Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 15

18 Figure 5 Schéma d un système HPLC respectivement IC avec les principaux éléments La pompe est, avec la colonne de séparation, le cœur de tout système HPLC. Elle doit être en mesure de délivrer l éluant de manière constante et sans pulsation même lors de fortes pressions. Ces dernières impliquent l utilisation d une valve d injection à boucle spéciale pour l introduction des échantillons. On utilise normalement une valve à six voies, capable de prendre un volume d échantillon défini à l aide d une boucle sous pression normale et de transporter ce dernier dans un système HPLC haute pression. La composition de la phase mobile doit être adaptée au type de colonne de séparation, mais aussi au problème analytique. Ceci est également valable pour le choix du système de détection. L enregistrement et le traitement des données sont réalisés de nos jours pratiquement exclusivement par ordinateur. Suivant le problème posé, il est possible de compléter, au choix, ce système d appareillage HPLC de base. Principes de séparation dans la CL L HPLC se décline en plusieurs groupes, suivant les échanges physico-chimiques entre les substances de l échantillon et la phase stationnaire. Bien que plusieurs mécanismes soient responsables d une séparation réussie [9], il est possible de réaliser une classification grossière selon les mécanismes de séparation suivants: Adsorption Distribution Exclusion par taille Affinité Échange ionique Formation de paire d ions Exclusion ionique La chromatographie par adsorption est définie par des réactions aux surfaces limites, pendant lesquelles des matières liquides ou gazeuses se trouvent concentrées sur une phase solide. Plusieurs modèles décrivant les processus d adsorption de manière qualitative et quantitative existent, bien que on ne se réfère ici quasiment qu à une littérature de chimie physique [19]. En pratique, on distingue deux tech- 16 Monographie Metrohm

19 niques de réalisation. Dans la chromatographie en phase normale, la phase stationnaire est généralement un gel de silice et donc beaucoup plus polaire que la phase mobile (hydrures de carbone). En chromatographie en phase inverse (en anglais: Reversed Phase Chromatography, RPC), les rapports sont également inversés. Essentiellement pour des raisons de manipulation des éluants, on ne travaille aujourd hui pratiquement plus qu avec la RPC [3, 9]. Dans la chromatographie par distribution, la phase stationnaire est constituée d un liquide non miscible avec la phase mobile. La séparation est basée sur la différence de solubilité des différents analytes dans les deux phases. Dans la cas idéal, la loi de distribution de Nernst est valable. Ce mécanisme de séparation joue un rôle important surtout dans la chromatographie gazeuse, lorsque l on utilise des capillaires recouverts de liquides de séparation comme phase stationnaire. La chromatographie par distribution trouve également sa place en HPLC lorsque des gels de silice modifiés avec des hydrures de carbone non polaires, comme par exemple les phases octadécyle, sont utilisées comme matériaux de support. La chromatographie par exclusion de taille (en anglais: Size Exclusion Chromatography, SEC) permet une séparation selon la taille des molécules par un effet tamis. Des gels de silice ou des résines polymères organiques à structure de pore définie sont utilisés comme phase stationnaire. Les plus petits analytes peuvent diffuser dans les pores et sont retenus. Lorsque la taille des molécules augmente, une interaction avec les pores devient de plus en plus difficile, jusqu à ce qu une exclusion ait lieu à partir d une certaine taille de molécule. Ces molécules sont alors pratiquement éluées dans le volume mort. La SEC est surtout utilisée pour l analyse des polymères et la biochimie. La chromatographie par affinité rend possible une séparation de mélanges de substances grâce à des forces d interaction sélectives ou spécifiques. Ce sont surtout dans les domaines des enzymes et de leurs substrats qu on observe des interactions hautement spécifiques, de manière similaire à l interaction entre anticorps et antigènes (principe clé-serrure). En pratique, les enzymes ou anticorps sont immobilisés chimiquement sur une phase stationnaire. Si un substrat ou un antigène correspondant se trouve dans l échantillon, ce dernier est alors retardé avec une extrême sélectivité. C est la raison pour laquelle la chromatographie par bio-affinité est un procédé irremplaçable dans le domaine de la pharmacologie. La chromatographie par échange ionique (CI) divisée en chromatographie par paire d ions et chromatographie par exclusion ionique est traitée plus en détail dans le chapitre suivant. 3.3 Principes de base de la chromatographie ionique (CI) Terminologie et position à l intérieur de la CL La chromatographie par échange ionique ou chromatographie ionique (CI) représente un sous-groupe de l HPLC. Selon l IUPAC, la chromatographie par échange ionique est définie de la manière suivante [7, 8]: «La séparation en chromatographie par échange ionique est basée sur les différences d affinité d échange ionique des différents analytes. Lorsque des ions inorganiques doivent être séparés et détectés à l aide d un détecteur de conductivité ou par détection UV indirecte, on appelle cela de la chromatographie ionique». Pour diverses raisons, cette définition n est malheureusement que peu satisfaisante. La technique de détection devrait être observée indépendamment du mécanisme de séparation. De plus, la thèse d une restriction du terme chromatographie ionique à des ions inorganiques n est pas du tout plausible, puisqu en pratique, il est souvent possible de déterminer simultanément et d identifier avec un système défini aussi bien des ions organiques qu inorganiques. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 17

20 Une autre définition plus ancienne de la chromatographie ionique paraît plus appropriée [20]: «La chromatographie ionique regroupe toutes les séparations rapides de chromatographie liquide d ions sur des colonnes en couplage on-line avec un détecteur à cellule continu permettant détection et quantification.» Cette définition caractérise la chromatographie ionique indépendamment du mécanisme de séparation et de détection, mais pose également une limite: celle de l échange ionique classique. Les principes de séparation suivants jouent un rôle en chromatographie ionique: Échange ionique Formation de paire d ions Exclusion ionique Les méthodes chromatographiques sont définies selon le mécanisme de séparation appliqué. La chromatographie par échange d ions est dénommée de nos jours plus simplement chromatographie ionique (CI); la chromatographie par paire d ions (en anglais: IPC, Ion Pair Chromatography) et chromatographie par exclusion ionique (en anglais: IEC, Ion Exclusion Chromatography) jouent le rôle d applications spéciales L échange ionique La chromatographie par échange ionique (CI) est basée sur une réaction chimique se déroulant de manière stœchiométrique entre les ions d une solution et une matière solide quelconque portant des groupes fonctionnels et ayant la propriété de fixer des ions grâce à des forces électrostatiques. Dans la chromatographie ionique cationique, les groupes fonctionnels sont, dans le cas le plus simple, des groupes d acide sulfoniques et dans la chromatographie ionique anionique, des groupes ammonium quaternaires. En principe, il est possible que des ions chargés identiquement puissent être échangés de façon réversible entre les deux phases. Les processus d échange ionique atteignent alors un état d équilibre. L affinité des ions concernés avec les groupes fonctionnels de la phase stationnaire va imposer le côté dans lequel l équilibre va prendre place. La figure 6 montre schématiquement les processus ayant lieu lors de l échange de cations et d anions. Les ions analytes, qui sont en concurrence avec les ions éluants E, sont dénommés par la lettre A. Figure 6 Représentation schématique du processus d échange ionique dans la chromatographie ionique. A gauche: échange de cations, à droite: échange d anions 18 Monographie Metrohm

21 Aspects thermodynamiques du processus d échange ionique Les échangeurs ioniques sont normalement constitués de phases solides sur lesquelles des groupes ioniques sont fixés en surface. En raison des conditions d électroneutralité, un contre-ion se trouve toujours à proximité des groupes fonctionnels. Le contre-ion provient en principe de la phase mobile et est pour cette raison appelé ion éluant. Si on introduit un échantillon comportant deux ions analytes A et B, ces derniers prennent alors pour un court instant la place des ions éluant E et sont retenus à la charge fixée, jusqu à ce qu ils soient de nouveau échangés de leur côté, par un ion éluant. Pour la chromatographie ionique anionique, on a alors les équilibres réversibles suivants: Résine - N + R 3 E + A Résine - N + R 3 A + E (15) Résine - N + R 3 E + B Résine - N + R 3 B + E (16) Grâce aux affinités différentes de A et B vis à vis des groupes fonctionnels, il est possible de réaliser une séparation des composés. La constante d équilibre K est également appelée coefficient de sélectivité et se calcule pour l anion A, de la façon suivante: (17) Si on suppose que la concentration des ions éluants est très largement supérieure à celle des ions analytes, on peut considérer [E ] constant dans la phase mobile comme dans la phase stationnaire. On peut ainsi calculer le coefficient de distribution D A (équation 1) et le facteur de rétention k A (équation 4). Théoriquement, de tels calculs ne sont permis que lorsque les concentrations dans l équation 17 correspondent aux activités; cependant cela n est vrai que dans le cas de dilutions infinies [19]. Les activités des ions dans la phase stationnaire sont en principe inaccessibles [4]. On considère les activités comme négligeables dans le cas des échangeurs ioniques de faibles capacités (les plus souvent utilisés) car ils ne peuvent être utilisés qu avec des phases mobiles composées d électrolytes très dilués. Cette simplification n est plus valable ni pour les matériaux de forte capacité (>200 mmol/g), ni pour les éluants concentrés. Ces derniers montrent un comportement déviant fortement du comportement «idéal» La formation de paires d ions La chromatographie par paire d ions permet de séparer les mêmes analytes que la chromatographie par échange d ions. Le mécanisme de séparation est cependant totalement différent. Les matériaux à phase inverse complètement apolaires, connus de la chromatographie par distribution, sont utilisés comme phases stationnaires. Un réactif de paire d ions constitué de tensioactifs anioniques ou cationiques (sels tétra alkyle ammonium ou acides n-alkyle sulfoniques) est ajouté à l éluant. Les réactifs à formation de paire d ions forment avec les ions analytes de charge opposée une paire d ions non chargée, qui peut être retenue sur la phase stationnaire grâce à des interactions hydrophobes. En raison des constantes de formation des paires d ions et de leurs adsorption plus ou moins forte, il est possible d effectuer une séparation. La figure 7 montre de manière simplifiée un modèle statique d échange ionique, où l on considère que c est seulement après une adsorption du réactif à formation de paire d ions sur la phase stationnaire qu une interaction avec l analyte a lieu. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 19

22 Figure 7 Représentation schématique du modèle d échange ionique statique en chromatographie par paire d ions (IPC). Le principe de séparation est valable aussi bien pour les anions que pour les cations L exclusion ionique La chromatographie par exclusion ionique (en anglais: IEC, Ion Exclusion Chromatography) permet avant tout la séparation d acides ou de bases faibles [2, 4]. L IEC joue un rôle important lors de la détermination d acides faibles tels que les acides carboxyliques, les hydrures de carbone, les phénols ou les acides aminés. La figure 8 montre le principe de séparation de l IEC, avec l exemple d un acide carboxylique R COOH. Figure 8 L exclusion selon Donnan comme principe de séparation dans la chromatographie par exclusion ionique (IEC) En IEC, on utilise souvent un échangeur de cations complètement sulfoné, dont les groupes acides sulfoniques sont électriquement neutres grâce aux protons jouant le rôle de contre-ions. Dans les éluants aqueux, les groupes fonctionnels sont hydratés. L enveloppe hydratée est limitée par une membrane imaginaire chargée négativement (membrane Donnan). Cette dernière n est perméable que pour les molécules non chargées et non dissociées, telles que les molécules d eau. Les acides carboxyliques organiques peuvent être séparés lorsque des acides minéraux forts (tels que l acide sulfurique) sont utilisés comme phase mobile. Les acides carboxyliques faibles ont des constantes d acidité (valeurs pk a ) faibles et se trouvent donc sous une forme pratiquement non dissociée dans un éluant fortement acide. Ils peuvent alors traverser la membrane Donnan et être adsorbés sur la phase stationnaire, pendant que les ions sulfates de l acide sulfurique complètement dissociés sont exclus. La figure 9 montre une dépendance typique du volume d élution d un acide (de constante pk a ) pour une séparation par exclusion ionique. Des adsorptions superposées (acides carboxyliques à longues chaînes, H 2 S) et les limites du domaine de travail pratique sont faciles à reconnaître. La séparation d acides carboxyliques est réalisée finalement grâce à la différence de leurs valeurs pk a. 20 Monographie Metrohm

23 Figure 9 Dépendance du volume d élution dans la chromatographie par exclusion ionique de la valeur pk a correspondante de l acide 3.4 Modèles de rétention de la chromatographie ionique Dans le cas idéal, la rétention d un analyte en chromatographie ionique est déterminée par son affinité vis à vis des groupes fonctionnels de l échangeur ionique. Cette affinité peut être décrite par la formulation d une réaction chimique, la réaction de l échange ionique, et peut être expliquée par la loi d action de masse. Les expériences présentées dans les modèles de rétention suivants essaient de donner une prédiction quant au comportement de rétention des analytes sous des conditions chromatographiques particulières. Si les modèles résultant sont capables d expliquer les observations macroscopiques, on peut alors par exemple optimiser un système d élution en vue d un problème de séparation particulier Modèles de rétention pour la chromatographie d anions Les observations suivantes prennent tout d abord en considération uniquement le mécanisme de chromatographie ionique le plus simple: le déplacement isoionique. L exemple concret est basé sur la chromatographie d anions, mais des observations identiques sont également observées pour la chromatographie de cations. Lorsqu un d agent complexant est ajouté à l éluant, il faut davantage développer le modèle de rétention. Ceci est décrit de manière plus détaillée dans le paragraphe «Modèle de rétention pour l élution en présence d agents complexants» (chapitre 3.4.2). Modèles de rétention pour éluants avec un anion Si on suppose que l électroneutralité est vérifiée, l approche la plus simple est celle où un seul ion éluant E y rentre en compétition avec un ion analyte A x pour un groupe fonctionnel de la phase stationnaire [4]. La concentration des anions éluants E y est alors constante dans le temps (élution isocratique). Les sites d échange de la colonne de séparation de capacité Q sont, en début du processus chromatographique, occupées par des anions éluants E y. Si un échantillon comportant l anion analyte A x est introduit, on observe alors entre phase stationnaire (index S ) et phase mobile (index M ) l installation de l équilibre suivant: x y x y y A M + x E S y A S + x E M (18) Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 21

24 Selon la loi d action de masse, l équilibre peut être décrit par une constante d équilibre thermodynamique. On obtient, en prenant en considération l activité des ions participants, la constante d équilibre thermodynamique suivante: (19) Comme les activités des ions participants dans la phase stationnaire et la phase mobile ne peuvent être déterminées, l activité dans la phase stationnaire est négligée et assimilée à 1. Si pour l anion analyte A x, on introduit deux grandeurs connues du chapitre 3.2.1, le coefficient de distribution D A et le facteur de rétention k A, (20) on peut alors convertir l équation 19, en incluant ces quantités et en négligeant les activités comme décrit ci-dessous: (21) Comme la concentration des ions éluants E est, en règle générale, supérieure à la concentration des anions analytes A x de plusieurs ordres de grandeur, on obtient une bonne approximation en faisant l hypothèse que tous les groupes fonctionnels sont occupés par E y. En suivant cette hypothèse, la concentration en E y, non déterminable dans la phase stationnaire peut alors être remplacée par les paramètres plus accessibles que sont la capacité Q et la charge de l anion éluant y: (22) Ceci signifie que l équation 21 peut être convertie en: (23) Le facteur de rétention k A de l anion analyte A x est facile d accès grâce au chromatogramme. L équation 23 est alors résolue pour cette quantité. (24) Cette équation est d une importance particulière pour la chromatographie d anions, car elle livre une relation quantitative entre le facteur de rétention k A et quelques paramètres accessibles expérimentalement, tels que la concentration de l éluant et la capacité d échange. En pratique, pour plus de clarté, on travaille avec la version logarithmique de l équation 24. (25) 22 Monographie Metrohm

25 À partir de l équation 25, on obtient tout d abord les conséquences suivantes: Une augmentation de la concentration de l éluant [E y ] accélère l élution Des facteurs de rétention plus élevés sont obtenus lors de constantes d équilibre plus grandes K A,E, de capacités d échange Q plus hautes et un rapport phase-volume Φ plus élevé. Les analytes multivalents A nx sont retenus plus longtemps que les monovalents A x, Au moins aussi longtemps que la concentration de l éluant [E y ] est relativement basse. Ceci est connu en tant qu électrosélectivité. Les éluants multivalents E ny ont une force d élution plus haute que les monovalents E y L élution d analytes multivalents A nx est influencée de manière plus importante par des concentrations croissantes d ions éluants monovalents E y que les analytes monovalents A x. Dans une première approximation, on peut considérer que les coefficients de sélectivité sont indépendants de Q lorsque Φ est constant; on obtient alors la proportionnalité suivante: (26) À partir de l équation 26, on voit que lors d une augmentation de la capacité d échange Q la concentration de l éluant [E y ] doit être également augmentée proportionnellement, de façon à ce que des facteurs de rétention constants soient obtenus. C est la raison pour laquelle, en chromatographie ionique on utilise normalement des phases de séparation de basse capacité, car l un des modes de détection les plus importants en chromatographie ionique est la détection conductimétrique, et que cette détection devient pratiquement impossible lors de fortes concentrations d électrolytes. Pour optimiser les analyses de séparation, on fait souvent varier la concentration de l éluant [E y ]. Si tous les paramètres de l équation 25 rentrant en ligne de compte sont maintenus constants, celle-ci peut se simplifier de la manière suivante: (27) La représentation graphique de l équation 27 donne une ligne droite de pente m = x/y et d intersection C 1 avec l axe vertical, C 1 comprenant les grandeurs Q, Φ et K A,E. Lors de l utilisation d un éluant monoanionique, m est connu sous le nom de charge effective. La figure 10 représente de manière schématique le résultat obtenu par l équation 27, pour différentes combinaisons d ions analytes et éluants chargés différemment. Figure 10 Représentation graphique de l équation 28 pour différentes combinaisons d ions analytes et éluants chargés différemment [4] Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 23

26 L équation 27 a été confirmée dans de nombreuses publications, cependant dans l hypothèse que des matériaux de séparation de faible capacité et des éluants dilués soient utilisés. En revanche, si on varie la capacité Q dans des conditions constantes, l équation 25 est alors simplifiée. On a: log k' A = C 2 + x log Q (28) y y La représentation graphique de cette équation ressemble à la figure 10, avec cependant des pentes de droite positives. Des expériences chromatographiques en faisant varier Q n ont été jusqu ici réalisées qu une seule fois lors de la séparation de cations divalents. Ceci a montré, contrairement aux hypothèses précédemment considérées, que le facteur de rétention et les coefficients de sélectivité ne peuvent pas être considérés comme indépendants de la capacité d échange. Il apparaît clairement que, pour optimiser les analyses de séparation, il faut tenir compte non seulement de la concentration de l éluant [E y ], mais également de la capacité d échange Q. Les observations obtenues jusqu à présent ne sont valables que pour un anion analyte. Si, par contre, deux anions différents A x et B z se font concurrence pour un groupe fonctionnel, on a alors pour les coefficients de sélectivité K A,B : (29) En considérant l équation 20, on obtient tout d abord la sélectivité α AB, (30) et ensuite, après conversion, on a les équations 31a et b, (31a) (31b) qui peuvent être simplifiées pour les analytes chargés de manière similaire (x = z): (32) resp. (33) Pour la sélectivité entre deux anions analytes chargés de manière similaire, cela signifie: Elle est seulement une fonction du coefficient de sélectivité K A,B et des charges z resp. x, Elle ne dépend, lorsque K A,B est constant, ni de la concentration [E y ], ni de la constitution chimique de l anion éluant (!) 24 Monographie Metrohm

27 Si A et B ont des charges différentes, α A,B dépend du facteur de rétention d un des deux analytes, Les deux facteurs de rétention k A et k B ne sont pas indépendants l un de l autre (!) Dans les équations 31 jusqu à 33, il est particulièrement intéressant de remarquer que la sélectivité entre deux anions ne dépend au départ ni de la constitution chimique ni de la charge de l anion éluant, et ceci aussi longtemps que le rapport volume de phase/coefficient de sélectivité est constant. En pratique, il est cependant possible d obtenir un changement de α A,B à travers une variation de [E y ], car deux analytes, même s ils sont chargés de la même façon, peuvent être différenciés très clairement par leurs propriétés chimiques, telles que polarisabilité et hydratation, ce qui implique ensuite une affinité différente vis à vis de la phase stationnaire. Ces interactions ne sont pas prises en considération dans la dérivation classique. Modèles de rétention pour les éluants avec plusieurs anions Les observations faites jusqu à présent ne se réfèrent qu aux systèmes d élution avec un seul anion éluant. En pratique, on a normalement plusieurs espèces éluantes présentes, comme c est le cas avec les tampons carbonate/hydrogénocarbonate ou les acides multi-bases tels que l acide phosphorique, dont la dissociation et par conséquent la distribution d espèces dépend très fortement de la valeur ph. Même dans les cas les plus simples, lorsque aucun des anions éluants participants n est actif à l équilibre acide-base, on ne peut pas représenter la relation entre le facteur de rétention k et la concentration de l éluant [E ] sous la forme d une relation log-log simplifiée, conformément à l équation 28. Ceci ne serait possible que si la concentration ou la force d élution des anions éluants restants pouvait être négligée; ceci correspondrait au modèle de rétention des éluants monoanioniques. Dans la littérature, divers modèles traitant des éluants polyanioniques sont décrits; ils sont discutés succinctement dans le paragraphe suivant: Modèle de l équilibre dominant [21] Modèle de la charge effective [22-24] Modèle des quatre espèces d éluants [25, 26] 2 3 Si l on observe un éluant à base de phosphate H 2 PO 4, HPO 4 et PO 4, (autrement H 2 P, HP 2 et P 3 ) et les ions analytes monovalents A, les équilibres suivants sont formés: ; x 1 (34) ; x 2 (35) ; x 3 (36) Les grandeurs x correspondent aux proportions de la réaction particulière dans la rétention, c est pourquoi on a: x 1 + x 2 + x 3 = 1 (37) Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 25

28 Les deux modèles de l équilibre dominant ou de la charge effective postulent une charge particulière pour l anion éluant, bien que plusieurs espèces soient présentes, de façon à ce que le modèle de rétention dérivé (voir plus haut) pour éluant monoanionique puisse être utilisé. Le modèle de l équilibre dominant suppose que l équilibre dans l équation 36 tend du côté droit, car P 3 est bien plus fortement lié à la phase stationnaire que H 2 P et HP 2, de par la supériorité de sa charge. P 3 est ainsi seul responsable de l élution, de façon à ce que la charge de l anion éluant donne 3. Ce modèle n obtient cependant de bons résultats. Il ne s avère applicable qu avec des analytes multivalents [4]. Avec le modèle de la charge effective, on calcule une charge effective, en prenant en considération la valeur ph, à partir des fractions molaires des espèces possibles H 2 P, HP 2 et P 3 [22]. En utilisant ceci avec les concentrations existantes des espèces éluantes, on obtient une relation analogue à l équation 27. Cependant une condition sine qua non, pour que de tels calculs soient possibles vient du fait que les sélectivités des espèces d éluants ne se différencient pas essentiellement comparativement aux ions analytes A. Le modèle de charge effective peut surtout être utilisé de manière intéressante, avec des analytes monovalents [4]. En réalité, le modèle des espèces d éluants multiple est plus adapté à la description d éluants dont les composés dérivent les uns des autres. Les observations suivantes sont basées sur le modèle de Mongay et al. [27], qui représente un développement supplémentaire des travaux réalisés par Jenke et Pagenkopf [25]. Grâce aux équations 34 jusqu à 36, il est possible de représenter l équilibre global sur la colonne de séparation (équation 38). Si on considère l équation 37, les constantes d équilibre K A,P peuvent être définies pour le processus d échange, si les activités sont négligées (équation 39). (38) (39) Comme pour la dérivation du modèle de rétention pour les éluants monoanioniques, les traitements mathématiques suivants sont réalisés. Il faut surtout prendre en considération: La (possible) dissociation de l anion analyte A La concentration totale de l espèce éluante: c P = [H 3 P] + [H 2 P ] + [HP 2 ] + [P 3 ] La force des interactions des espèces d éluants avec les groupes fonctionnels L introduction du facteur de rétention k A (équation 20) et de la capacité d échange Q (équation 22) livre, après quelques conversions mathématiques supplémentaires, une expression compliquée pour k A [28], qui est ici seulement représentée sous sa forme logarithmique et simplifiée: (40) C 3 est une constante, qui, de façon analogue à l équation 27, comprend des grandeurs telles que rapport volumes de phases, capacité d échange et constante d équilibre et c P (qui est la somme des concentrations des espèces de l éluant). A partir de l équation 40, on peut déduire que les pentes des droites dans 26 Monographie Metrohm

29 une représentation logarithmique double doivent toujours être plus petites que celles conformes au modèle de rétention simple pour éluants monoanioniques (équation 27), car la somme entre parenthèses est toujours plus petite que 1. Il est également clair que la valeur ph a une influence notable sur la façon dont la relation log-log est elle-même influencée. Pour les espèces d éluants ne dérivant pas d un point de vue chimique les unes des autres, il existe un modèle, celui de Janoš et al., développé pour décrire des éluants contenant un tampon phosphate en plus du perchlorate [29]. La dérivation de ce modèle est effectuée de façon similaire aux observations citées plus haut; un équilibre d échange supplémentaire doit cependant être pris en considération pour un autre ion éluant monovalent. Les calculs livrent des expressions très compliquées du facteur de rétention, qui deviennent très simples pour des éluants neutres ou acides. Dans la cas où une autre espèce d éluant monovalente est présente à côté du perchlorate, on obtient l équation 41, où x et y représentent les contributions des réactions d équilibre correspondant à la rétention (x: tampon phosphate, y: perchlorate). Comme dans les autres modèles, C 4 est une constante, alors que le facteur a difficilement accessible est censé prendre en considération la force de fixation à la phase stationnaire des ions perchlorate comparativement aux espèces phosphates. (41) Comme les termes entre parenthèses de l équation 41 sont inférieurs à 1, la pente dans la représentation log-log devrait toujours être inférieure à celle obtenue avec le modèle de rétention simple. Le modèle livre, dans des cas concrets d application, une bonne concordance avec les données expérimentales. Ce n est cependant pas applicable, sous cette forme, dans le cas de systèmes d élution alcalins Modèles de rétention pour la chromatographie de cations La chromatographie de cations doit être séparée en deux groupes, afin de pouvoir observer les modèles de rétention. Un des groupes concerne les analytes alcalins et alcalino-terreux et nécessite un système d élution basé sur un déplacement isoionique. La phase stationnaire porte des groupes fonctionnels d acides carboxyliques. Lors de la séparation d ions métalliques bivalents ou de charge supérieure, l utilisation d un agent complexant devient inévitable. Son rôle sera décrit de manière plus détaillée ci-dessous. Modèle de rétention avec un cation Les explications du paragraphe «Modèle de rétention pour éluant avec un anion» sont valables de façon analogue pour la chromatographie de cations avec élution par déplacement isoionique. En pratique, ceci concerne les métaux alcalins et alcalino-terreux, l ammonium et les amines à courtes chaînes. D autres éluants que H + peuvent aussi être utilisés, par exemple des cations organiques tels que l acide 2,3- diaminopropionique (ADP) en solution dans de l acide chlorhydrique dilué. Selon la valeur ph ajustée de l éluant, l ADP se trouve dans les formes ioniques (1) et (2) (figure 11). Après suppression, on obtient la forme zwitterion (3), qui possède une conductivité propre faible. Figure 11 Espèces ioniques de l acide diaminopropionique Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 27

30 Modèle de rétention pour l élution en présence d agents complexants La séparation d ions alcalino-terreux, de transition et des métaux lourds, nécessite l utilisation d éluants contenant un agent complexant en plus du cation éluant E y+. Les agents complexants utilisés sont des acides dicarboxyliques H 2 L, tels que l acide tartrique, l acide oxalique et l acide pyridine dicarboxylique (pyridinedicarboxylic acid = PDCA) ou l acide citrique. Les analytes forment des complexes plus ou moins stables avec les anions des agents complexants HL et L 2 ; leurs stoechiométries diffèrent aussi. À cause du processus de complexation, la charge effective, c est à dire la charge de l analyte présente sur une période de temps moyenne, est réduite. Étant donnée la relation directe avec les cinétiques de formation et les constantes de stabilité des complexes, les sélectivités diffèrent suffisamment pour que la séparation d analytes même similaires devienne possible. Au delà de l échange ionique, la formation de complexe joue elle-aussi un rôle prédominant quant à la séparation des ions métalliques de charge supérieure. (42) (43) (44) Afin de pouvoir prendre en considération l influence de l agent complexant sur la séparation chromatographique, le modèle du déplacement isoionique est étendu (voir paragraphe «Modèle de rétention pour les éluants avec un anion», chapitre 3.4.1). Le paramètre α M est introduit afin de décrire le degré de complexation de l analyte. La fraction α M de l ion analyte libre dans la phase mobile est exprimée comme suit: (45) avec [Me ]: concentration totale des ions métalliques. La valeur α M est calculée à partir des constantes de formation de complexe, des constantes de dissociation acides (pk a ) des acides carboxyliques et du ph de l éluant. Pour les coefficients de distribution D Me, on obtient, en tenant compte de la formation de complexe: (46) Si l on suppose qu une interaction n a lieu qu entre les ions analytes libres Me x+ et les groupes d acides carboxyliques ou sulfoniques et que c(e y+ ) >> c(h + ), on a alors pour l équation 23: (47) On obtient la forme logarithmique de l équation 47, de façon analogue à l équation 25: (48) 28 Monographie Metrohm

31 Si plusieurs espèces métalliques cationiques se trouvent les unes à côté des autres, par exemple Me x+ et MeHL (x 1)+, la plupart du temps, un seul pic est alors observé. Le nombre de pics observés dépend de la cinétique des équilibres de complexation et de décomplexation dans la phase mobile. On n obtient qu un seul pic lorsque l équilibre de complexation dans la phase mobile s installe rapidement comparativement au temps de résidence du complexe sur la phase complexe. En revanche, si la décomplexation se déroule lentement, il est possible d obtenir des pics asymétriques ou multiples pour l élément Me. Si l on suppose que toutes les espèces métalliques présentes dans la phase mobile peuvent entrer en interaction avec la phase stationnaire, on obtient alors l expression suivante pour le facteur de rétention k exp de l analyte déterminé expérimentalement: (49) Si l on considère la dépendance du facteur de rétention des variables Q, [E y+ ] ainsi que α M, alors la relation présentée dans l équation 48 est utilisée comme point de départ, car les analytes divalents forment principalement des complexes neutres ou anioniques avec les agents complexants puissants. Calcul des valeurs α M La valeur α M est définie selon l équation 45 comme le rapport de la concentration des ions métalliques libres et de la concentration totale en ions métalliques. Les concentrations des espèces métalliques présentes dans la phase mobile peuvent être calculées à l aide des constantes de complexation et des constantes de dissociation des acides carboxyliques utilisés. Si l acide tartrique est l agent complexant utilisé dans les éluants, il se forme avant tout des complexes neutres 1:1 de formule MeL avec les métaux alcalino-terreux, ceux de transition et les métaux lourds, mais également en quantité moindre le complexe d hydrogène tartrate de formule MeHL +. Pour le calcul de α M, on obtient pour les éluants d acide tartrique: (50) où c L représente la concentration totale en acide tartrique et α HL ainsi que α L les fractions molaires des anions acides HL et L 2. Avec l acide oxalique, et/ou l acide pyridine dicarboxylique, certains ions métalliques forment, en plus des 2 complexes 1:1, des complexes MeL 2 stables. α M se calcule alors de la manière suivante: (51) Calcul de la dissociation acide Le ph et la concentration de l agent complexant dans la phase mobile déterminent la concentration de ligand et donc donnent une information sur la complexation des analytes. Un acide possédant deux protons se dissocie en deux étapes: (52) Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 29

32 (53) avec les constantes acides K S1 et K S2. Les fractions molaires utilisées pour le calcul de α M, α H2L, α HL ainsi que α L, sont obtenues à partir des lois d action de masse des étapes individuelles de déprotonisation: (54) (55) (56) 3.5 Systèmes de détection utilisés en chromatographie ionique Toute une série de procédés différents existent dans le domaine de l HPLC afin de détecter des substances. Le choix d un détecteur adapté dépend cependant de la question analytique à résoudre. Les exigences relatives au détecteur peuvent être résumées de la manière suivante: Haute sensibilité de mesure et temps de réponse court Proportionnalité entre le signal de mesure et la concentration de l analyte (grande gamme linéaire) Faible variation de la ligne de base (drift ou dérive) Faible bruit de fond propre Volume propre aussi faible que possible afin d avoir à disposition le plus faible élargissement de bande possible En général, on fait une différence entre les détecteurs sélectifs et non sélectifs. Tandis qu un détecteur sélectif réagit directement à l une des propriétés de l analyte, les détecteurs non sélectifs réagissent à un changement d une propriété physique du système d élution complet provoqué par l analyte. Les détecteurs utilisés en chromatographie ionique ne se différencient en principe pas de ceux, «conventionnels», mis en application en HPLC. Les systèmes de détection les plus importants seront évoqués dans ce chapitre. Le détecteur le plus universel et le plus utilisé en CI est le détecteur de conductivité Méthodes de détection électrochimiques Détection conductimétrique La détection conductimétrique possède environ 55% du marché de la chromatographie ionique [4]. Vu le nombre de chromatographes ioniques vendus jusqu à ce jour, cette proportion devrait même aujourd hui être bien supérieure. La détection conductimétrique est un principe de détection non sélectif, mais dans ce cas, il est possible de réaliser des déterminations directes et indirectes. Comme la chromatographie ionique met en application des phases mobiles sous forme d électrolyte aqueux, le détecteur doit être en position de pouvoir réagir à un changement de conductivité total provoqué par une quantité d ions analytes relativement faible. Grâce à l utilisation de techniques dites de suppression, il est possible de réduire 30 Monographie Metrohm

33 fortement la conductivité propre de certains éluants ce qui permet dans le cas d anions acides forts d obtenir une augmentation importante de la sensibilité. La conductivité κ d une solution est l inverse de la résistance R qu un liquide produit entre deux électrodes de surface A, placées à une distance L l une de l autre. κ = L / (A R) (57) La conductivité équivalente Λ d une solution peut être déterminée de la manière suivante: Λ = κ / c (58) La conductivité limite Λ et la dépendance de la conductivité par rapport à la concentration peuvent être déterminées à l aide de l équation 59. Les constantes A et B sont des constantes empiriques. (59) La conductivité d un électrolyte est obtenue en additionnant les deux conductivités ioniques Λ anion et Λ + cation: (60) Figure 12 Construction d une cellule de mesure de conductivité Selon la loi de Kohlrausch, la conductivité d une solution diluée est proportionnelle à la somme des conductivités de tous les ions, multipliée par leurs concentrations: (61) où κ est la conductivité en S cm 1, Λ la conductivité limite en S cm 2 (z mol) 1 et c la concentration en z mol L 1 (z correspond à la charge de l ion). Le facteur 1000 résulte du fait que 1 litre correspond à 1000 cm 3. La variation de conductivité provoquée par les analytes est proportionnelle à leur concentration dans l éluant, (62) Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 31

34 où S et E représentent respectivement l ion analyte et l ion éluant. Comme avec la détection conductimétrique, c est la variation de conductivité qui est mesurée et seulement de faibles changements de conductivité sont obtenus en chromatographie d anions pour des conductivités de base élevées. Il est donc préférable de conserver la conductivité de base aussi faible que possible. Figure 13 Changement de la conductivité de l éluant d une séparation de chromatographie ionique d un mélange de plusieurs substances. Les changements d un éluant de forte conductivité sont représentés en rouge et ceux d un éluant de faible conductivité en bleu En chromatographie ionique, la conductivité d un éluant peut être déterminée soit directement, soit après passage à travers un suppresseur. Ces deux variantes portent respectivement les noms de technique mono-colonne et technique par suppression. Un calcul simple permet de déterminer celle des deux formes qui est la plus appropriée. Si on utilise, dans le domaine de la chromatographie d anions, la détection conductimétrique directe, on a alors une dépendance directe de la sensibilité κ Peak et de la différence entre la conductivité équivalente de l ion analyte et celle de l éluant. Dans le cas du chlorure (analyte) et du carbonate comme anion éluant, on obtient les équations suivantes: κ Peak c Analyte (Λ - Cl Λ- CO 3 2 ) κ Peak c Analyte (76 72) κ Peak c Analyte 4 Si l éluant est adapté aux exigences de la détection conductimétrique directe, on peut alors envisager le remplacement de l éluant à base de carbonate par un éluant à base de phtalate et l on obtient pour l exemple ci-dessus la sensibilité suivante: κ Peak c Analyte (Λ - Cl Λ- ) κ c (76 38) Phthalate Peak Analyte κ Peak c Analyte 38 Si la suppression chimique de la conductivité de l éluant (échange des ions éluants contre H + ) est utilisée, la sensibilité est alors dépendante de la somme des conductivités équivalentes des anions analytes et des ions H + ; on obtient pour Cl analyte le résultat suivant: κ Peak c Analyte (Λ - Cl + Λ+ +) κ c ( ) H Peak Analyte κ Peak c Analyte Monographie Metrohm

35 À partir de ce simple calcul, on peut déduire que pour les anions, la détection conductimétrique directe est moins sensible d un facteur 10 environ que la détection conductimétrique après suppression chimique. Pour la chromatographie de cations, la même démarche est effectuée avec Na + ion analyte et H + cation éluant. Dans le cas de la détection conductimétrique directe (NaCl/HCl), on obtient pour la sensibilité de mesure κ Peak les équations suivantes: κ Peak c Analyte (Λ + Na + Λ+ +) κ c (50 350) H Peak Analyte κ Peak c Analyte ( 300) Lors d une suppression chimique de la conductivité de l éluant (échange des anions éluants Cl contre OH ), on obtient: κ Peak c Analyte (Λ + Na + + Λ- OH ) κ Peak c Analyte ( ) κ Peak c Analyte 248 Contrairement aux anions, on obtient ainsi une sensibilité supérieure de la détection conductimétrique directe des cations par rapport à la détection conductimétrique après suppression chimique. Tableau 2 Conductivité équivalente Λ de quelques ions Cations Λ + (S cm 2 eq -1 ) Anions Λ (S cm 2 eq -1 ) H OH 198 Li + 39 F 54 Na + 50 Cl 76 K + 74 Br 78 NH I 77 ½ Mg NO 2 72 ½ Ca NO 3 71 ½ Sr HCO 3 45 ½ Ba ½ CO ½ Zn H 2 PO 4 33 ½ Hg ½ HPO ½ Cu / 3 PO ½ Pb ½ SO ½ Co CN 82 1 / 3 Fe SCN 66 N(Et) Acétate 41 ½ Phtalate 38 Propionate 36 Benzoate 32 Salicylate 30 ½ Oxalate 74 Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 33

36 Les suppresseurs de chromatographie ionique sont soit des suppresseurs «packed-bed» travaillant de façon discontinue (Figure 14), soit des suppresseurs membranes travaillant de manière continue. Le suppresseur à lit fixe de Metrohm (packed-bed suppressor) est une version rotative et possède trois unités de suppression identiques: l une d elle joue le rôle de suppresseur, la deuxième unité est régénérée et la troisième est rincée avec de l eau ultrapure. Après réalisation d une analyse, le revolver pivote de 120 degrés et l unité rincée auparavant est utilisée comme suppresseur; de cette façon, on peut pratiquement travailler de manière continue. Figure 14 Construction schématique d un suppresseur «packedbed» pour un travail quasi-continu Le suppresseur membrane présenté dans la figure 15 permet un mode de travail continu. À cause de l utilisation de membranes échangeuses d ions, il reste cependant sensible aux occupations non désirées de la surface de membrane, qui provoquent une réduction de la capacité de suppression et qui entraînent finalement un dysfonctionnement du suppresseur. Figure 15 Construction schématique d un suppresseur membrane travaillant de manière continue Détection ampérométrique Les détecteurs voltampérométriques peuvent en principe être utilisés pour tous les composés qui peuvent être facilement réduits ou oxydés ou qui possèdent des groupes fonctionnels oxydables. Le détecteur ampérométrique est le plus important. On applique une certaine tension fixe entre une électrode de travail et une électrode de référence. Un analyte est électrochimiquement actif à la valeur de tension appliquée si son potentiel de demi-vague est tel qu il subit soit une réduction, soit une oxydation. Si un tel composé se présente, un courant passe et représente alors le signal de mesure. L ampérométrie est très sensible, bien que le taux de conversion ne soit que d environ 10%. Outre des cations tels que Fe 3+ ou Co 2+, ce sont surtout des anions tels que nitrite, nitrate, thiosulfate ainsi que les halogénures et les pseudohalogénures qui sont analysés. La plupart des applications concernent l analyse des sucres ainsi que l analyse clinique 34 Monographie Metrohm

37 par chromatographie anionique. De par sa conception particulière, le détecteur coulométrique permet d obtenir un rendement quantitatif; cependant, il n en résulte aucune augmentation de sensibilité. Détection potentiométrique Dans le cas de la détection potentiométrique, on travaille avec des électrodes ioniques sensitives, possédant parfois une très haute sélectivité. La miniaturisation croissante des électrodes peut cependant poser quelques problèmes de fiabilité. Ce type de détection n est donc utilisé en chromatographie ionique que dans des applications très précises Méthodes de détection spectroscopiques Détection photométrique En raison de son domaine d application très étendu, la détection photométrique ou UV/VIS est le type de détection le plus important en HPLC. En effet, presque toutes les molécules organiques possédant des groupes chromophores, ou pouvant absorber dans le domaine UV ou VIS peuvent être analysées. La condition sine qua non est que l éluant utilisé n absorbe pas dans le domaine de longueur d onde souhaité. Lors d une détection directe au maximum d absorption d un analyte, la détection UV/VIS est quasiment sélective. Les substances qui montrent une faible ou aucune absorption dans le domaine de longueur d onde considéré peuvent être analysées directement, en mesurant dans le domaine d absorption maximum du système d élution. Dans le domaine de l analyse des ions inorganiques, la détection UV/VIS joue un rôle moindre. Parmi les anions simples, seuls les analytes tels que nitrate, bromure ou iodure absorbent. De plus, les analytes importants tels que fluorure, sulfate ou phosphate ne peuvent être déterminés qu indirectement [4]. De nombreux cations n absorbent pas du tout. Plus particulièrement les multivalents et les métaux de transition peuvent être transformés à l aide d une dérivation post-colonne avec des chélates tels que 4-(2-pyridyle azo)-résorcine (PAR) ou Tiron, pour former des complexes colorés. Les analytes actifs d oxydoréduction, tels que bromate et autres ions oxohalogénures peuvent être déterminés par détection UV/VIS, grâce à une réaction post-colonne avec un indicateur actif électrochimique. Détection par fluorescence La détection par fluorescence est très sensible et toujours possible lorsque les analytes peuvent être amenés à livrer une certaine fluorescence, ce qui est surtout le cas pour les composés organiques avec des systèmes d électrons π étendus. Les applications typiques se situent surtout dans le domaine de l analyse organique et clinique. La détection par fluorescence peut être utilisée en combinaison avec la chromatographie ionique dans des cas spéciaux, car seuls certains ions particuliers tels que Ce 3+ sont accessibles directement. Les ions non fluorescents ne peuvent être détectés qu après dérivation. Le développement de systèmes d élution pour cette méthode de détection est difficile, car elle est très sensible aux interférences par contamination. De plus le domaine linéaire de ce procédé est relativement étroit et souvent inférieur à deux ordres de grandeur pour des raisons d effets d absorption propre. Techniques de couplage Les techniques de couplage permettent la liaison d un système chromatographique avec une méthode d analyse indépendante, souvent avec des procédés spectrométriques [3]. Ces procédés ont gagné en intérêt ces dernières années. Alors que les couplages avec la spectrométrie de masse se sont établis dans le domaine de la chromatographie en phase gazeuse (GC-MS), le couplage de l HPLC avec la spectrométrie pose d importants problèmes techniques. Pour l HPLC classique ou l analyse de composés organiques, on dispose aujourd hui de couplages avec la spectrométrie de masse (LC-MS), la spectroscopie IR (LC- Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 35

38 FTIR) et la spectrométrie par résonance magnétique nucléaire (LC-NMR) [3]. En chromatographie ionique (CI), on utilise surtout des détecteurs de spectrométrie atomique performants. Des exemples tels que l émission atomique et la spectrométrie de masse couplés avec une torche à plasma couplée par induction (IC-ICP-AES, MS) donnent des résultats exceptionnels grâce à leur spécificité élémentaire et leur sensibilité. C est la raison pour laquelle ces couplages, même s ils restent très chers à l achat, sont mis en application dans le domaine de l analyse d ultra-traces. Réfractométrie La réfractométrie différentielle est une autre méthode de détection basée sur un procédé optique. Ce détecteur est également appelé détecteur RI (en anglais: Refractive Index). Il n est pas du tout spécifique et peut être utilisé de manière universelle. En effet, la grandeur mesurée correspond à la différence entre l indice de réfraction de l analyte et celui de l éluant pur. Ce système de détection est très sensible aux interférences étant donnée la forte dépendance de l indice de réfraction à la température. Ce procédé est linéaire sur trois ordres de grandeur à partir du moment où l on considère une température constante. Les ions inorganiques simples possèdent un indice de réfraction extrêmement faible. Ces derniers ne peuvent donc être déterminés qu indirectement à l aide d un éluant modifié avec des composés à indice de réfraction élevé. 3.6 Les phases stationnaires en chromatographie ionique Une chromatographie ionique efficace nécessite des matériaux de colonne composés de particules très petites, les plus sphériques possibles et possédant des tailles de particules très homogènes. Des diamètres de particules de 2 à 10 µm sont utilisés. Par ailleurs, la cinétique d échange d ions doit être rapide. La cinétique d échange et la taille des particules définissent la performance des échangeurs d ions Vue d ensemble des phases stationnaires courantes En chromatographie ionique, les matériaux les plus divers de nature organique comme inorganique sont utilisables. Ils portent tous en surface des groupes fonctionnels capables de jouer le rôle d échangeur d ions. Ils peuvent être classés de la façon suivante [4]: Résines polymères modifiées organiquement Gels de silice modifiés Sels inorganiques (par exemple polyphosphates) Verres Zéolithes Oxydes métalliques (par exemple Al 2 O 3 ) Dérivés de cellulose En plus de ces phases, il est également possible d utiliser des systèmes très complexes tels que des groupes fonctionnels composés d ions métalliques alcalins reliés à la phase stationnaire par de l éther couronne. En pratique, on rencontre essentiellement des résines polymères organiques modifiées et des gels de silice. La figure 16 donne une vue d ensemble des matériaux de séparation utilisés en CI: 36 Monographie Metrohm

39 Figure 16 Phases stationnaires utilisées couramment en chromatographie ionique [4] Toutes les phases stationnaires peuvent être différenciées selon leur domaine d application (chromatographie ionique anionique ou cationique) ou selon la structure de leurs groupes fonctionnels. Initialement, ce sont les matériaux à base de gel de silice qui ont été mis en application en chromatographie ionique. Ils possèdent un excellent pouvoir de séparation et sont mécaniquement extrêmement stables, mais ils ne peuvent être utilisés qu entre ph 2 et 7 du fait de leur labilité chimique. Ce n est qu au début des années 80 que les premiers échangeurs ioniques à base de polymères organiques ont fait leur apparition en chromatographie ionique. Ils étaient alors synthétisés à partir de résines adsorbantes disponibles dans le commerce et ensuite modifiées. Aujourd hui, on utilise des matériaux soit à base de copolymères polystyrène-divinylbenzène (PS-DVB), soit à base de polymères méthacrylates (MMA). Les deux types de copolymères de base se différencient avant tout par leurs polarités. Alors que les copolymères PS-DVB sont totalement apolaires et représentent des phases RP, les polymères MMA sont en revanche relativement polaires. Cette propriété est essentielle en CI, car les phases de séparation plus polaires ont tendance à provoquer des interactions secondaires (adsorption). Le principal avantage des résines polymères organiques est leur très grande stabilité quel que soit le ph. Leur efficacité chromatographique est similaire à celle des gels de silice. La stabilité mécanique des phases MMA est cependant relativement faible, ce qui limite la longueur de la colonne ou le débit maximum de l éluant. De nos jours, on utilise en chromatographie ionique deux principes de construction de phases stationnaires différents: les échangeurs ioniques à surface fonctionnelle et les échangeurs pelliculaires. Dans les premiers, les groupes fonctionnels sont localisés directement à la surface du polymère ou dans les pores, alors qu avec les matériaux pelliculaires, de très petites particules à surface fonctionnelle sont fixées à des particules de tailles supérieures [4]. La liaison peut être mécanique ou provoquée par des interactions hydrophobes ou électrostatiques. La figure 17 représente la construction schématique des deux types de matériaux de colonne ainsi que les échangeurs anioniques associés. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 37

40 Figure 17 Structure d échangeurs d anions à surface fonctionnelle (a) et pelliculaire avec liaison mécanique (b) Les matériaux pelliculaires possèdent une efficacité chromatographique supérieure. En effet, les chemins de diffusion sont maintenus relativement courts grâce à l éloignement supérieur des groupes fonctionnels du matériau de base. Il en résulte un excellent transfert de masse. La stabilité chimique de ces phases de séparation est cependant clairement inférieure à celle des matériaux de surface fonctionnelle Les phases stationnaires en chromatographie d anions Dans le domaine de la chromatographie d anions, les groupes fonctionnels sont formés par transformation d un groupe ancre avec une amine appropriée. Il se forme ainsi des ions ammonium fixés sur la surface polymère. Pour la séparation d anions à l aide de la CI, on utilise pratiquement exclusivement des groupes fonctionnels à base d azote. Ceci s explique avant tout par leur stabilité chimique exceptionnelle et le nombre presque illimité de substituants possibles à l atome d azote. La génération de groupes ammonium sur des surfaces polymères est réalisée par transformation d une groupe ancre avec une amine. Les résidus alkyles situés sur l azote chargé positivement peuvent être très variés. Dans le cas le plus simple, R = H et on obtient un ion ammonium primaire. Mais ce dernier peut être déprotoné dans une gamme de valeur ph supérieure et donc perdre sa charge. Avec ce genre de matériaux, la capacité d échange est fonction de la valeur ph de l éluant, c est la raison pour laquelle ils sont décrits comme faiblement basiques. Si on substitue de manière successive les atomes d hydrogène par des groupes alkyles, il se forme alors tout d abord des groupes ammonium secondaires et tertiaires, qui peuvent également être déprotonés. C est seulement lorsque tous les résidus R sont des groupes alkyles que la capacité ou la charge devient indépendante de la valeur ph; on obtient alors des échangeurs d anions quaternaires fortement basiques. En ce qui concerne la chromatographie, on essaie de travailler avec une capacité indépendante de la valeur ph. C est pourquoi seulement des matériaux complètement alkylés sont utilisés. Lors d applications particulières telles que l analyse des protéines ou les techniques de préconcentration, des matériaux faiblement basiques sont également utilisés. Les deux groupes fonctionnels les plus importants en chromatographie d anions sont dérivés de la triméthylamine (TMA) et de la diméthyléthanolamine (2-diméthylaminoéthanol, DMEA). En pratique, tous les matériaux de séparation disponibles dans le commerce utilisent l un de ces groupes. Les groupes TMA 38 Monographie Metrohm

41 sont souvent appelés type I et les groupes DMEA type II dans la littérature. D autres fonctionnalités présentant une relation proche avec les deux groupes dénommés précédemment, sont représentées dans la figure 18: Figure 18 Vue d ensemble sur les groupes fonctionnels les plus importants, respectivement utilisés dans le cadre de ce travail TMA: triméthylamine (type I) DEMA: diéthanolméthylamine EDMA: éthyldiméthylamine TEA: triéthanolamine DMEA: diméthyléthanolamine (type II) Les matériaux commercialement disponibles dérivent la plupart du temps des types I ou II; cependant, la structure des groupes fonctionnels est souvent un secret bien gardé [4] Les phases stationnaires en chromatographie de cations Dans la chromatographie de cations, des matériaux à base de gel de silice ainsi que des matériaux à base de polymère sont utilisés. Contrairement à la chromatographie d anions utilisant la plupart du temps des éluants alcalins, les conditions relatives à la chromatographie de cations sont également compatibles avec l utilisation des gels de silice Échangeurs de cations à base de gel de silice Avec les échangeurs de cations à base de gel de silice, on différencie les matériaux directement fonctionnels et ceux qui sont recouverts d un film de polymère. En ce qui concerne les matériaux directement fonctionnels, la littérature ne cite pratiquement que des échangeurs fortement acides avec groupes d acides sulfoniques [2, 4]. Ces derniers possèdent une bonne efficacité chromatographique, mais ils ne sont pas adaptés à la détermination simultanée des métaux alcalins et alcalino-terreux, à cause de leurs grandes différences d affinité. Avec les gels de silice recouverts d un film de polymère, appelés phases de Schomburg, la surface sili cate est occupée par un «prépolymère» qui sera ensuite immobilisé par des liaisons réticulées. Grâce à une mise en fonction ultérieure, plusieurs types d échangeurs peuvent être créés. Pour la représentation d échangeurs cationiques faiblement acides, on utilise de l acide polybutadiène maléine (PBDMA), qui est ensuite lié radicalement in-situ de manière réticulée [30]. Grâce au film fin polymère d environ 1 à 5 nm [31], les chemins de diffusion des analytes sont courts, ce qui a pour conséquence une efficacité chromatographique élevée. Il existe un grand nombre d applications pour les échangeurs ioniques à base de gel de silice. La séparation simultanée des métaux alcalins et alcalino-terreux fait partie des applications les plus importantes, la séparation des ions métalliques de transition et les métaux lourds est également possible. L utilisation universelle des échangeurs ioniques à base de gel de silice présentent cependant quelques inconvénients: Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 39

42 Pour des valeurs ph <2, la liaison entre silicium-support de base et groupe fonctionnel est affaiblie de manière croissante, ce qui conduit à une érosion graduelle de la fonctionnalité et par conséquent à une perte de capacité. Pour des valeurs ph >7, la solubilité du gel de silice augmente considérablement, ce qui provoque une réduction de la stabilité mécanique du matériau, une cassure des particules et cause un volume mort en début de colonne Échangeurs cationiques à base de polymères organiques On utilise surtout des résines à base de copolymères styrène-divinylbenzène comme support de base. Les restrictions spécifiques aux échangeurs à base de gel de silice ne sont pas valables dans ce cas. Les échangeurs cationiques à base de polymères organiques sont utilisables sur la gamme ph complète entre 0 et 14 et sont inertes vis à vis des fluorures. Bien que leur résistance à la pression soit inférieure à celle des gels de silice, elle est en principe correcte, à l exception de quelques résines méthacrylates. Dans les échangeurs cationiques commercialement disponibles, les groupes fonctionnels sont la plupart du temps à base de groupes d acide sulfonique. Ces derniers peuvent être liés directement ou par l intermédiaire d un «spacer» de longueur variable au système aromatique. Les échangeurs à base d acide sulfonique avec des spacers possèdent une efficacité chromatographique nettement supérieure; la longueur du spacer ne joue cependant qu un rôle secondaire. Cependant, ils ne sont pas adaptés pour la détermination simultanée des métaux alcalins et alcalino-terreux, à cause des différences d affinité très grandes Échangeurs de cations pelliculaires En plus des résines directement fonctionnelles, il existe également des échangeurs pelliculaires. Ils possèdent une construction à double épaisseur, car il n est pas possible de représenter une particule substrat complètement aminée. C est la raison pour laquelle une particule substrat totalement sulfonée est tout d abord recouverte d un film composé de particules latex sulfonées. La fixation est réalisée par des interactions électrostatiques et de van der Waals. Le diamètre relativement important des particules substrats ( µm) a pour effet une pression bouchon comparativement faible. Le diamètre faible ( nm) des particules latex rend possible des chemins de diffusion courts avec des processus d échange rapides; l efficacité de la colonne de séparation est alors très élevée. Les matériaux pelliculaires présentent un inconvénient: ils sont sensibles aux solvants organiques [32] et aux phases mobiles de force ionique importante, car alors les particules latex sont déplacées. La détermination simultanée des métaux alcalins et alcalino-terreux est possible dans le cas où le film aminé est fixé de manière covalente. Cependant les différences de sélectivité entre potassium, magnésium et calcium sont grandes; ainsi des temps d analyse relativement importants sont nécessaires. Ceci peut être expliqué par l utilisation de groupes d acides sulfoniques fortement acides Phases stationnaires en chromatographie par exclusion ionique Le choix des phases stationnaires en IEC est relativement restreint. La formation de la membrane de Donnan par des groupes fonctionnels dissociés est importante pour le processus de séparation; leur nombre doit être relativement élevé. De plus, le matériau doit éviter si possible toute adsorption des analytes sur la phase stationnaire. Comme les analytes proviennent essentiellement des groupes des acides carboxyliques et des sucres, il est souhaitable, dans ce cas, d avoir à disposition une surface si possible polaire. Aucune exigence n est posée pratiquement vis à vis de la cinétique de la réaction d échange ionique, car la séparation est basée sur un mécanisme d exclusion. En pratique, on utilise exclusivement des polymères PS/DVB réticulés transversalement et totalement sulfonés. 40 Monographie Metrohm

43 3.6.8 La signification de la capacité d échangeurs ioniques À côté de la nature du support de base et du type des groupes fonctionnels, la capacité d échange Q est une grandeur caractéristique des échangeurs d ions. Grâce à elle, on obtient une information sur le nombre de places disponibles à un échange ionique. La capacité d échange est normalement exprimée en gramme de matériau sec, soit en micro-équivalent (µeq/g), soit en micro-mole (µmol/g) [2]; d autres unités sont également communément utilisées [33]. Pour des raisons analytiques, les échangeurs ioniques peuvent être classés selon leur capacité, on a: Matériaux de faible capacité: Q < 100 µmol/g Matériaux de capacité moyenne: 100 < Q < 200 µmol/g Matériaux de haute capacité: Q > 200 µmol/g Les phases de séparation utilisées dans l échange ionique classique sont avant tout de haute capacité, avec des capacités variant de 3 à 5 mmol/g [4]. La définition de la capacité faite ci-dessus se base sur une attente d équilibre total entre phase stationnaire et phase mobile. C est la raison pour laquelle on la dénomme aussi capacité statique. On appelle capacité dynamique (effective) le nombre de groupes fonctionnels vraiment disponibles pendant un processus chromatographique. Elle sera toujours inférieure à la capacité statique [2, 4]. La capacité d échange peut être déterminée de différentes façons [33]: Par volumétrie, titrage Par analyse élémentaire Par l intermédiaire de la détermination des temps de rétention Tous les procédés livreront des valeurs différentes pour Q avec le même matériau. En pratique, on utilise la plupart du temps la volumétrie. Pour les échangeurs anioniques, on charge une colonne de séparation ou une quantité définie de résine, avec une solution de chlorure par exemple. Après rinçage des restes de chlorure, on peut éluer avec du nitrate. La quantité de chlorure éluée, qui correspond à la capacité d échange statique dans des conditions d équilibre est alors titrée avec une solution de AgNO 3, puis quantifiée. La dépendance des échangeurs d anions en fonction du ph peut la plupart du temps être négligée. Pour les échangeurs cationiques, la capacité des groupes acides carboxyliques (R-COOH) faiblement acides n est donnée que pour des valeurs ph supérieures (déprotonisation), alors que les groupes d acides sulfoniques (R-SO 3 H) fortement acides sont déjà fortement déprotonés et disposent d une capacité indépendante du ph. En corrélation avec les modèles de rétention (chapitre 3.4), la signification de Q pour le choix des systèmes d élution et des systèmes de détection est devenue très claire. La détection conductimétrique universelle était pratiquement irréalisable avec des éluants de force ionique élevée, quelle que soit la technique employée. C est la raison pour laquelle, depuis l introduction de la chromatographie ionique en 1975, on utilise presque exclusivement des colonnes de séparation de faible capacité. L emploi d échangeurs de forte capacité en CI n a été jusqu à présent décrit qu en corrélation avec des techniques de détection n étant pas fortement limitées par le système d élution, telle que par exemple la détection UV/VIS [2, 4]. Les matériaux de séparation de faible capacité sont particulièrement adaptés à l analyse d échantillons de faible force ionique. Cependant, ils atteignent vite leurs limites dans le cas de fortes forces ioniques. En raison du nombre faible de groupes fonctionnels, on obtient des effets de surcharge et par conséquent une certaine déformation de pic et finalement une diminution dramatique de l efficacité. D autres problèmes se posent également lorsque les analytes se trouvent en rapport de concentration très différents, ce qui est pratiquement toujours le cas dans l analyse des ultra-traces. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 41

44 3.7 Éluants en chromatographie ionique Comme dans toutes les séparations de chromatographie liquide, la phase mobile en chromatographie ionique est le paramètre sur lequel il est le plus facile d agir pour influencer une séparation. Par contre, la colonne de séparation ou le système de détection sont la plupart du temps prédéfinis. Le choix d un système d élution approprié peut être réalisé à l aide de différents critères. En chromatographie d anions, il faut, entre autres, prendre en considération les paramètres suivants [4]: Compatibilité avec la méthode de détection Nature chimique et concentration de l ion éluant Valeur ph Capacité tampon Teneur en solvant organique (modificateur; en anglais; modifier) Dans la littérature [2, 4, 5], le principal débat concerne l adaptation des éluants aux techniques dites mono-colonne ou de suppression. Ceci sera également détaillé plus bas, notamment la capacité d échange Q des colonnes de séparation. On donne tout d abord une courte explication des termes «technique mono-colonne» et «technique par suppression». De même que dans les chapitres précédents, les observations se limitent essentiellement à la chromatographie d anions Chromatographie d anions Technique mono-colonne Dans la technique mono-colonne, établie par Gjerde et ses collègues en 1979 dans la chromatographie ionique [33], la colonne de séparation est directement reliée à un détecteur, ce qui correspond à la construction classique d un appareillage HPLC. Pour la différencier de l autre version de la CI, cette technique est également dénommée «chromatographie ionique sans suppression chimique». L éluant quittant la colonne de séparation et les analytes contenus à l intérieur ne sont chimiquement pas modifiés. Le nombre de systèmes d élution est dans ce cas pratiquement illimité. Outre les problèmes propres à la séparation, il faut veiller à ce que les éluants soient compatibles avec le détecteur. Par exemple, lorsque la détection UV directe doit être utilisée, l éluant ne doit pas absorber dans le domaine spectral considéré. Lorsque la technique mono-colonne est employée; tous les détecteurs standards de l HPLC peuvent en principe être utilisés. Pour les échangeurs anioniques de faible capacité (Q < 100 µmol/colonne de séparation), un grand nombre d éluants avec des propriétés très diverses peuvent être utilisés avec la technique mono-colonne. La concentration de l éluant se situe normalement dans une gamme de l ordre du mmol/kg ou même inférieure. On peut employer entre autres, les classes de substances nommées ci-dessous [4]. Dans certains cas particuliers, il est également possible de mettre en application des agents complexants tels que l EDTA ou les complexes borate-mannitol. Acides carboxyliques aromatiques Acides carboxyliques aliphatiques Acides sulfoniques Hydroxydes alcalins Acides inorganiques tels que H 2 SO 4, HCl ou H 3 PO 4 Les composés les plus employés sont les acides carboxyliques aromatiques et leurs sels. Ceux qui sont le plus fréquemment utilisés sont représentés dans la figure Monographie Metrohm

45 Figure 19 Structures des acides carboxyliques les plus importants pour une utilisation avec la technique monocolonne Cette classe de substance est utilisée très souvent, car les solutions de leurs acides ou de leurs sels possèdent une force d élution importante, mais une conductivité propre relative faible. Ils peuvent ainsi être directement utilisés pour une détection conductimétrique. Pour les acides multiples, il est possible de contrôler la charge et ainsi le pouvoir d élution par l intermédiaire de la valeur ph. Cette dernière doit cependant être strictement respectée. Les acides carboxyliques aromatiques possèdent une forte absorption dans le domaine UV et peuvent être utilisés de manière avantageuse en détection UV/VIS indirecte. Les mêmes informations sont valables pour les acides sulfoniques aromatiques, tels que l acide sulfonique p-toluène. Mais ces derniers se trouvent toujours sous forme déprotonée et ne possèdent donc pas de capacité tampon. Leur pouvoir d élution ne peut être contrôlé que par l intermédiaire de leur concentration. Les acides carboxyliques aliphatiques tels que l acide oxalique et l acide citrique possèdent une forte conductivité propre, mais sont transparents aux UV. Ils peuvent donc être utilisés avec la détection UV/VIS directe. C est également le cas des acides sulfoniques aliphatiques; l acide méthane sulfonique est celui qui est utilisé le plus couramment. Les homologues supérieurs des deux classes de composés rendent possible l utilisation de la détection conductimétrique directe, à cause de leurs longues chaînes de carbone et par conséquent de leur faible conductivité équivalente [2, 4]. Les hydroxydes alcalins ne peuvent être utilisés que de façon limitée dans la technique mono-colonne car l ion OH possède une très faible affinité avec les groupes ammonium quaternaires. C est la raison pour laquelle, même lors de faibles capacités, il est nécessaire d avoir des concentrations d éluant élevées de façon à pouvoir utiliser la détection conductimétrique indirecte. En revanche, il est possible d employer la détection UV/VIS directe, bien que l ion hydroxyde normalement transparent dans le domaine UV montre une absorption dans le domaine inférieur à 220 nm lorsqu il est concentré. Lors de l utilisation d acides inorganiques ou de leurs sels, la détection photométrique est nécessaire. En effet, leur dissociation quasi-totale leur confère une forte conductivité. Lors de l emploi d acide phosphorique ou de phosphate, il est possible de contrôler la capacité tampon et le pouvoir d élution grâce à la valeur ph de l éluant. La plupart des éluants cités ici peuvent être également employés avec d autres systèmes de détection tels que l ampérométrie, la fluorimétrie ou les techniques de couplage. Pour l utilisation des systèmes d élution cités avec les détecteurs ci-dessus, veuillez vous référer à la littérature plus détaillée [2, 4, 5]. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 43

46 Technique par suppression La technique par suppression était la technique originale de détection lors de l introduction de la CI [1]. Contrairement à la technique mono-colonne, cette méthode utilise exclusivement la détection conductimétrique. Dans la technique par suppression, on place entre la colonne de séparation et le détecteur un module appelé suppresseur. C est la raison pour laquelle cette méthode est également dénommée «chromatographie ionique avec suppression chimique» [2, 4]. Dans le suppresseur, l éluant et les analytes sont modifiés chimiquement de façon à améliorer notablement la sensibilité de la détection conductimétrique. Le rôle du suppresseur est de réduire la conductivité propre de l éluant et si possible d augmenter la sensibilité de la détection des analytes. Le principe de la suppression chimique est représenté dans les équations 63 et 64, pour une application de la chromatographie anionique. L éluant est à base de NaHCO 3 et l analyte est l ion chlorure. La suppression a lieu avec un échangeur cationique fortement acide de forme H +. R-SO 3 H + + Na + + HCO 3 R-SO 3 Na + + H 2 O + CO 2 (63) R-SO 3 H + + Na + + Cl R-SO 3 Na + + H + + Cl (64) L unité de suppression est composée, dans le cas le plus simple, d une colonne connectée après la colonne de séparation, ce qui explique l ancienne dénomination «technique double colonne». L éluant à base d hydrogénocarbonate de sodium est neutralisé conformément à l équation 63, car les ions sodium sont remplacés par des protons. De cette manière, la conductivité propre de l éluant est considérablement réduite. L analyte Cl n est lui-même pas transformé (équation 64), cependant son ion opposé Na + est échangé contre H +, qui possède une conductivité équivalente nettement supérieure [19]. Comme le signal du détecteur tient compte de la somme des conductivités des ions analytes et ions opposés, les deux réactions permettent un gain de sensibilité remarquable. Les colonnes avec échangeurs cationiques sous forme H + utilisées initialement comme suppresseurs étaient clairement responsables d un certain élargissement de pic (peak broadening) à cause de leur volume mort élevé. En outre, elles ne pouvaient être utilisées que de façon discontinue, car l échangeur cationique avait besoin d être régénéré périodiquement. Par contre, les modernes suppresseurs à lit fixe tel que le Module de Suppression Metrohm (MSM) offrent une performance excellente et permettent un travail quasi-continu. On utilise aussi des suppresseurs à membrane travaillant de façon continue. Leur solution régénérante est normalement à base d acide sulfurique diluée et circule dans le sens contraire de l éluant [6]. Cependant, comparés aux suppresseurs à lit fixe, les suppresseurs à membrane sont plus sensibles aux interférences et moins résistants à la pression et aux solvants organiques. La technique par suppression possède cependant quelques inconvénients importants. En pratique, en chromatographie d anions, seuls les éluants à base d hydroxydes alcalins et de carbonates peuvent être utilisés en suppression chimique avec succès. Les anions d acides faibles, tels que l acétate ou le fluorure, se trouvent sous forme protonée après la réaction de suppression. Ils sont donc détectés de façon plus sensible avec la méthode d analyse mono-colonne. Les cations de charge élevée doivent être éliminés avant l analyse, car ils forment des hydroxydes très difficilement solubles, qui précipitent sur la colonne de séparation. Comme il apparaît déjà clairement, la technique par suppression implique la suppression chimique de l éluant et l utilisation de la détection conductimétrique directe [2, 4]. Cette technique est utilisée couramment en chromatographie d anions car, dans de nombreux cas, elle est plus sensible que la détection conductimétrique directe. La conductivité propre des éluants classiques pour la technique mono-colonne (par exemple: 2 mmol/l phtalate, ph = 8) est de l ordre de 200 µs/cm. La conductivité des éluants utilisables pour la suppression chimique est de l ordre de 12 à 16 µs/cm. 44 Monographie Metrohm

47 La suppression chimique n est possible que pour quelques éluants seulement. Ces derniers sont des solutions à base de [4] Hydroxydes alcalins Carbonates alcalins et hydrogénocarbonates 2 Borates (par exemple B 4 O 7 ) Acides aminés En pratique, parmi les éluants cités ci-dessus, seules les solutions à base d hydroxyde alcalin et à base de tampon carbonate jouent un rôle important, ce qui signifie que le choix des phases mobiles potentielles est relativement restreint. L ion hydroxyde est un ion éluant extrêmement faible, ce qui signifie que même avec des matériaux de séparation de faible capacité, on doit travailler déjà avec de fortes concentrations, supérieures à 50 mmol/l. Lors de l utilisation de groupes fonctionnels très polaires, il est possible d augmenter le pouvoir d élution relatif de l ion OH en utilisant la sélectivité hydroxyde. Une modification des temps de rétention ou de la sélectivité ne peut alors être obtenue que par une variation de la concentration de l éluant. L utilisation de carbonates alcalins et d hydrogénocarbonates alcalins permet une flexibilité bien supérieure. 2 Les deux espèces HCO 3 et CO 3 se trouvent après suppression sous forme d acide carbonique H 2 CO 3, qui n est dissocié qu en très faible partie. L hydrogénocarbonate a un pouvoir d élution même plus faible que l hydroxyde, alors que le carbonate représente un éluant relativement fort. Les deux anions sont normalement utilisés ensemble et procurent à l éluant un pouvoir tampon qui peut être contrôlé aisément par les concentrations des deux composés et par leur rapport. En raison des charges des espèces de l éluant, les sélectivités pour les analytes mono- et multivalents peuvent être modifiées ponctuellement. Le rapport en concentration des deux ions éluants peut être réglé très exactement par l intermédiaire de la 2 valeur ph; c est la raison pour laquelle le domaine ph utilisé pour les éluants HCO 3 /CO 3 se situe entre 8 et 11. Comme pour les éluants OH, il est possible d accélérer l élution en utilisant des phases stationnaires possédant différents types de groupes fonctionnels. Les deux systèmes d élution ne peuvent être utilisés avec succès avec des échangeurs anioniques à surface fonctionnalisée que lorsque que le support de base (copolymère méthacrylate) ou les groupes fonctionnels possèdent une forte polarité. Avec les colonnes de séparation basées sur PS-DVB, on observe pour les analytes (nitrate, bromure) une très mauvaise symétrie de pic et des temps de rétention très longs, même lors de l utilisation de groupements fonctionnels polaires. Avec les matériaux pelliculaires, ces effets n interviennent de façon pas aussi marquante, ce qui explique leur emploi courant dans la technique par suppression [2, 4] Chromatographie de cations Chromatographie d ions alcalins, alcalino-terreux et ammonium avec détection conductimétrique L éluant le plus couramment employé pour la séparation chromatographique d ions alcalins métalliques et ammonium ainsi que pour les amines aliphatiques de courte chaîne sur phases de séparation sulfonées est constitué d acides minéraux tels que HCl ou HNO 3 [4]. La concentration de l éluant est fonction du type et de la capacité de l échangeur cationique et se situe autour de quelques mmol/l. Les cations divalents tels que les métaux alcalino-terreux ne peuvent pas être élués par des acides minéraux, car ils possèdent une affinité trop forte pour la phase stationnaire. Une forte augmentation de la concentration acide impliquerait une forte conductivité de base, ce qui rendrait la détection trop peu sensible. La suppression devient alors inefficace. Pour séparer les ions métalliques alcalino-terreux, il est également possible d utiliser des bases Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 45

48 organiques telles que l éthylène diamine. A des faibles valeurs de ph, celle-ci est protonée et se trouve sous la forme d un cation divalent. L acide chlorhydrique et l acide 2,3-diaminopropionique sont à la base des éluants classiquement utilisés pour l analyse simultanée des cations métalliques alcalins et alcalino-terreux sur un échangeur cationique fortement acide [2]. Il est possible de faire évoluer le degré de protonation des groupes amino et par conséquent le pouvoir d élution de l acide 2,3-diaminopropionique en faisant varier le ph (voir section «Modèle de rétention pour éluants avec un cation», chapitre 3.4.2). Dans le cas d une analyse sans suppression chimique, des acides minéraux ainsi que des acides organiques faibles tels que l acide oxalique, l acide citrique ou l acide tartrique peuvent être utilisés comme éluants. Par ailleurs, des agents complexants tels que l acide 2,6-pyridine dicarbonique (PDCA) et l éther couronne 18-couronne-6 influencent les temps d analyse de certains cations de manière sélective. Il existe deux types de détection conductimétrique. La détection conductimétrique directe est adaptée dans le cas où la conductivité de base de l éluant est élevée (par exemple avec les acides minéraux dilués, H + ayant une très forte conductivité spécifique). Les analytes doivent alors avoir une conductivité inférieure à celle de l éluant; on obtient donc des pics négatifs. Un chromatogramme standard est ensuite obtenu par l intermédiaire d un inversement de polarité du détecteur ou à l aide d une simple inversion. Lorsque la qualité du détecteur de conductivité ne permet pas une mesure de conductivité particulièrement sensible, une alternative est de travailler en chromatographie de cations avec suppression. La construction de suppresseurs pour la chromatographie de cations est cependant bien plus difficile que pour la chromatographie d anions et leur durée de vie est nettement inférieure Chromatographie des ions métalliques de transition et alcalino-terreux avec dérivation postcolonne et détection photométrique Pour la séparation d ions métalliques de transition et des métaux lourds, les cations monovalents H + ou Na + ne sont pas des éluants satisfaisants. En effet, la différence entre le coefficient de sélectivité des analytes et des cations éluants, pour une charge identique, est trop faible. La séparation peut cependant être réalisée par l intermédiaire d un équilibre secondaire. Pour ce faire, on utilise des éluants acides carboxyliques complexants (voir figure 20), tels que l acide citrique, l acide oxalique et l acide tartrique. Ces derniers forment des complexes neutres ou anioniques avec les ions métalliques (voir chapitre 3.4). Figure 20 Différents acides carboxyliques en tant qu éluant en chromatographie de cations La densité de charge effective des analytes est réduite en raison de la complexation des ions métalliques. En outre, la sélectivité de la séparation peut être régulée grâce aux différentes constantes de complexation. Le mécanisme d élution résulte de l expulsion isoionique par le contre-ion (effet «pushing») et de la formation de complexes (effet «pulling») par les ligands complexants [4]. 46 Monographie Metrohm

49 Les équilibres participant au mécanisme d élution entre l analyte Me 2+, l agent complexant L 2 et le contreion E + sont représentés de façon schématique dans la figure 21. Figure 21 Représentation schématique des équilibres participant au processus d échange [4] L importance de l expulsion ionique provoquée par les contre-ions E + dépend de l affinité des cations pour la phase stationnaire. Avec les contre-ions monovalents, le cation possédant la plus grande affinité pour la phase stationnaire a un effet éluant supérieur. L action de l agent complexant varie en fonction du ph et de la concentration de l éluant. De plus, il est possible d influencer le pouvoir d élution en utilisant plusieurs agents complexants, ainsi qu en mettant en application un contre-ion divalent. Contrairement aux alcalins et alcalino-terreux, les métaux de transition et les métaux lourds ne peuvent être déterminés que par mesure de conductivité directe, sans suppression. En effet, ces métaux sont transformés la plupart du temps en hydroxydes insolubles lors de la réaction de suppression. De plus, la détection conductimétrique directe n est applicable que lorsque des échangeurs basse capacité et des éluants de faible conductivité de base sont utilisés. On utilise donc préférentiellement la dérivation post-colonne de ces ions métalliques de transition et les métaux lourds afin de les transformer en complexes métalliques colorés détectables par photométrie. Pour ce faire, un réactif métallochrome est ajouté à l éluant dans un réacteur post-colonne. Divers pigments azo peuvent être utilisés [2, 4] et réagir avec un grand nombre de cations métalliques: les lanthanides réagissent avec 4-(2-pyridyleazo)-résorcine (PAR) (figure 22) pour former des complexes colorés. Les lanthanides et les actinides peuvent être détectés avec l acide 2,7-bis(2-arsenophényle azo)-1,8-dihydroxynaphthalène- 3,6-disulfonique (arsenique azo III). L acide pyrocatéchol-3,5-disulfonique (Tiron) est utilisable pour la dérivation post-colonne de l aluminium. Figure 22 Structure de l indicateur de métaux PAR Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 47

50 Pour la détection des métaux de transition et des métaux lourds, on utilise surtout le réactif de PAR. Celuici forme avec les espèces Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mn, Pb et Cd des complexes colorés qui absorbent à des longueurs d onde allant de 490 à 520 nm avec des coefficients d absorption allant jusqu à 10 4 L mol 1 cm 1. La sensibilité de ce procédé est basée sur le fait que les coefficients d extinction des complexes métal-par sont élevés par rapport au coefficient d absorption du réactif à la longueur d onde employée Chromatographie par exclusion ionique (IEC) Le choix du milieu d élution en IEC est, de même que le choix du matériau, assez restreint (de l eau pure jusqu aux acides minéraux dilués). Afin de faire le choix du système le mieux adapté, il faut prendre en considération le mode de détection. Les méthodes de détection les plus courants sont la détection photométrique et la conductivité. Dans le cas de la photométrie, on utilise souvent de l acide sulfurique ou de l acide perchlorique dilué car ils sont transparents en UV. En détection conductimétrique, l acide sulfurique dilué est l éluant le plus adapté, car il permet d obtenir des chromatogrammes clairs avec un minimum d appareillage (un suppresseur n est pas nécessaire). Dans le cas d une utilisation avec un suppresseur, il est possible d utiliser un éluant d acide chlorhydrique dilué. Le ph de l éluant (sa concentration) détermine le degré de dissociation des analytes et ainsi leur rétention. En principe une augmentation de la concentration en acide induit une diminution des temps de rétention. La forme de pic est également influencée par la concentration de l éluant. Pour les acides organiques, l eau pure ne constitue pas un éluant satisfaisant car elle accentue les phénomènes d adsorption. En revanche, l eau fournit d excellents résultats pour l analyse du carbonate et de l acide borique. 48 Monographie Metrohm

51 4 Partie pratique Dans la partie pratique de cette monographie sont présentées des expériences qui permettent une introduction détaillée dans le monde de la chromatographie ionique. Dans un premier temps, le chapitre 4.2 comprend des expériences permettant d appréhender concrètement la théorie de la chromatographie ionique. Une deuxième partie (chapitre 4.3) est relative à la détermination des anions. Enfin, la dernière partie (chapitre 4.4) traite des cations organiques et inorganiques. Les expériences peuvent en principe être réalisées sur tous les chromatographes ioniques. L appareil doit cependant remplir certains critères: Pompe à double piston à faibles pulsations résiduelles, travaillant si possible sans alimentation externe d azote ou d hélium Réglage de débit correspondant aux exigences de la colonne Vanne d injection électrique Possibilités de connexion de diverses boucles d échantillonnage et colonne de préconcentration Chromatographie ionique avec et sans suppression chimique Détecteur de conductivité à température stabilisée, si possible supérieure à ± 0,01 C Boîtier isolé thermiquement et électroniquement Utilisation anionique et cationique Contrôle par logiciel recommandé Tous les systèmes CI Metrohm, qu ils soient compacts ou modulables, remplissent évidemment ces exigences. Le Basic IC 792 a été cependant plus spécialement conçu pour l enseignement et est pour cette raison particulièrement recommandé dans les expériences décrites ci-dessous. Figure 23 Le Metrohm Basic IC 792: spécialement conçu pour la recherche et l enseignement 4.1 Conseils relatifs aux travaux pratiques Analyses de cations Dans toutes les analyses effectuées, les échantillons doivent être acidifiés (ph 2,5...3,5), avec de l acide nitrique (environ 100 µl 2 mol/l HNO 3 pour 100 ml d échantillon) afin d obtenir une parfaite reproductibilité pour les cations divalents. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 49

52 Arrêt de l appareil Si l on ne travaille pas avec le chromatographe ionique pendant une période de temps prolongée (>1 semaine), il est alors recommandé de démonter la colonne de séparation et de rincer le chromatographe ionique avec une solution méthanol/eau (1:4). Il faut faire attention à ce que les trois unités du suppresseur soient rincées correctement. Choix de colonne La plupart des expériences présentées ici ont été réalisées sur des colonnes peu onéreuses Metrosep Dual 1 pour les anions et Metrosep C2 pour les cations. Ces colonnes permettent d obtenir une séparation tout à fait suffisante pour toutes les expériences décrites. Naturellement la gamme de produits Metrosep comporte d autres colonnes de séparation, bien plus performantes, mais également plus onéreuses. Conseils de sécurité Pour la réalisation de toutes les expériences, il est fortement conseillé de porter des lunettes de protection, une blouse de laboratoire et si nécessaire des gants de protection également. Les recommandations relatives aux produits chimiques doivent absolument être observées (phrases R/S). Croissance bactériologique Afin d empêcher tout développement bactérien, il est recommandé de préparer toujours fraîchement les éluants, les solutions de rinçage et de régénération et de ne pas les utiliser sur une période de temps prolongée. Si malgré tout des bactéries ou des algues proliféraient, il est alors possible d ajouter 5% de méthanol ou d acétone à l éluant. Ceci n est pas possible lorsque des suppresseurs à membranes sont mis en application, car ces derniers sont détruits par les solvants organiques. Par contre, le module de suppression Metrohm «MSM» résiste à 100% aux solvants. Dégazage des éluants Afin d éviter toute formation de bulles d air, il est recommandé de dégazer l eau utilisée pour la fabrication des éluants avant l addition des produits chimiques. Pour ce faire, on peut soit employer une trompe à eau, soit une pompe à vide à huile, soit un bain ultrasons pendant dix minutes environ. Protection de l environnement En chromatographie ionique, on travaille avant tout avec des milieux aqueux. Les réactifs chimiques employés en chromatographie ionique ne sont donc pas toxiques et ne polluent pas l environnement. Il est cependant important de remarquer que lorsque l on travaille avec des acides, bases et solvants organiques ou des standards à base de métaux lourds, ces derniers doivent être recyclés convenablement après utilisation. Qualité de l eau La qualité de l eau a une influence directe sur la qualité des résultats chromatographiques. Une moindre qualité de l eau risque d endommager l appareillage et les colonnes de séparation. L eau déminéralisée utilisée devrait avoir une résistivité supérieure à 18 MOhm cm et être libre de particules. C est la raison pour laquelle il est vivement conseillé de la filtrer à 0,45 µm. 50 Monographie Metrohm

53 Qualité des réactifs chimiques Tous les réactifs chimiques doivent au moins être de qualité p.a. (qualité analytique) ou puriss. (extrapure). Les standards doivent être spécialement adaptés à la chromatographie ionique (sels de sodium mis en solution dans l eau). Sources de contamination Tous les échantillons ainsi que les solutions de régénération, l eau et les éluants doivent être libres de particules qui peuvent boucher la colonne de séparation. Ceci est conseillé particulièrement lors de la fabrication des éluants, car ces derniers traversent la colonne de manière continue (de 500 jusqu à 1000 ml par journée de travail, comparativement à environ 0,5 ml de solution échantillon). Stockage des colonnes de séparation Colonne CI pour anions Metrosep Anion Dual 1 ( ) La cartouche colonne est stockée dans son support fermé pour une courte période (quelques jours). Pour une période prolongée (semaines), il est conseillé de stocker la colonne dans le récipient de conservation livré à cet effet dans une solution acétone/eau (1:9), à l abri de la lumière. Figure 24 Colonne CI pour anions Metrosep Anion Dual 1 ( ) avec support de colonne Colonne CI pour anions Metrosep A SUPP 5 ( ) La colonne est conservée dans l éluant. Colonne CI pour cations Metrosep C2 ( ) La colonne est conservée dans l éluant, au réfrigérateur (4 C). Il faut absolument faire attention à ce que la colonne ne se dessèche pas. Figure 25 Colonne CI pour cations Metrosep C2 ( ) Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 51

54 Colonne CI pour cations Nucleosil 5SA ( ) La colonne est conservée dans l éluant pour de courtes périodes (jours), et dans méthanol/eau (1:4) pour des périodes prolongées (semaines). Colonne CI Metrosep Organic Acids ( ) La colonne est conservée dans l éluant pour de courtes périodes (jours) et dans de l eau déminéralisée pour des périodes prolongées (semaines). Colonnes de séparation d autres fabricants Prendre en considération les données du fabricant. 4.2 Expériences relatives à la théorie de la chromatographie ionique Expérience 1 Chromatographie ionique avec et sans suppression chimique La conductivité équivalente Λ est égale à la somme des conductivités équivalentes de tous les anions et cations présents dans la solution: Λ = Λ + + Λ De manière générale, la conductivité augmente avec la concentration en électrolyte ou en ions. La relation concentration-conductivité n est linéaire que pour les solutions diluées, car Λ est dépendant de la concentration (loi de Kohlrausch). Les valeurs dans le tableau (comparer avec la section «Détection conductimétrique») sont valables pour Λ conductivité équivalente dans des solutions diluées à l infini. La conductivité équivalente dépend de la température ±2% / C). Les effets de température sont particulièrement présents lorsque l on travaille sans suppression chimique, la conductivité de base étant alors élevée. C est pour cette raison que le détecteur doit être thermostaté à 0,01 C près. En chromatographie ionique sans suppression chimique, la conductivité de base est supprimée de manière électronique uniquement. C est pourquoi il est préférable d utiliser des éluants de conductivité aussi faible que possible. Les sels d acides faibles tels que l acide phtalique, l acide salicylique et l acide benzoïque sont souvent utilisés. La valeur de mesure déterminée sans suppression chimique est dépendante de la différence des conductivités équivalentes entre ion échantillon et ion éluant. Λ~(Λ P Λ E ) Des pics négatifs font toujours leur apparition lorsque la conductivité de l ion échantillon est inférieure à celle de l ion éluant. Un exemple: l ion phosphate. À ph = 5, il se trouve principalement sous la forme H 2 PO 4. Comme la conductivité équivalente Λ de H 2 PO 4 avec 33 S*cm 2 /mol est inférieure à la conductivité équivalente du phtalate avec 38 S*cm 2 /mol, on obtient un petit pic négatif. Une valeur ph plus élevée, 2 où le phosphate se trouve sous la forme HPO 4 et possédant une conductivité équivalente de 57 S*cm 2 / mol donne en revanche un pic positif. La chromatographie ionique avec suppression chimique signifie que la conductivité de base est supprimée chimiquement. Un éluant de forte conductivité est transformé dans une réaction post-colonne la réaction de suppression en un éluant de conductivité inférieure. 2 3 Les éluants utilisés dans ce cas sont des sels d acides faibles tels que HCO 3, CO 3 et BO 3. Dans le suppresseur, tous les cations contenus dans l éluant et l échantillon sont échangés contre des ions H +. Conformément à la réaction suivante, ils forment alors à partir de l éluant des acides faiblement dissociés: 52 Monographie Metrohm

55 Na + + HCO 3 +H + Na + H 2 CO 3 L acide carbonique produit par cette réaction se trouve surtout sous forme de CO 2 + H 2 O. C est la raison pour laquelle la conductivité restante est très faible. De la même façon, les contre-ions des anions à déterminer sont échangés contre des ions H + dans le suppresseur. On peut donc formuler l équation suivante: Na + + Cl +H + Na + H + + Cl Au lieu de mesurer la conductivité initiale des ions Na + et Cl contenus dans l échantillon, on mesure la conductivité équivalente bien plus élevée de H + et Cl, qui plus est avec une conductivité de base inférieure. Théoriquement, on peut attendre un signal 10 fois plus grand que lors d une simple suppression électronique. En pratique cependant, on observe une augmentation de sensibilité d un facteur variant entre 2 et 4. Contrairement à la linéarité obtenue sans suppression chimique, la suppression chimique amène une nonlinéarité de la courbe de calibrage. Le domaine de linéarité est donc plus restreint si l on travaille avec suppression chimique (entre 1/20 et 1/50 environ). Contenu à apprendre Construction de principe d un système CI Différences entre un travail avec ou sans suppression chimique Détermination des différentes sensibilités de ces deux méthodes Expérience 1a Mesure sans suppression chimique Tableau 3 Paramètres expérience 1a Colonne Éluant Échantillon Méthode Système Débit Pression Durée d analyse Boucle d échantillonnage 100 µl Polarité Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) 8 mmol/l acide phtalique, 2% acétonitrile; ph = 4.1 (TRIS) Conductivité environ 400 µs/cm Standard (fluorure, chlorure, nitrite, bromure, nitrate, phosphate, sulfate) exp_01_n.mtw anonsupp.smt 0.5 ml/min 3 MPa 20 min Fabrication de l éluant Mettre en solution 1,33 g d acide phtalique dans 20 ml d acétonitrile et un peu d eau, puis compléter à 1 L. Ajuster la valeur ph à 4,1 par addition d environ 1 g de TRIS (solide). Dégazer l eau utilisée avant toute addition de produits chimiques pendant 10 minutes à l aide d une trompe à eau ou d un bain à ultrasons. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 53

56 Chromatogramme 1 Solution standard sans suppression chimique Tableau 4 Composés Expérience 1a Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure Chlorure Nitrite Bromure Nitrate Sulfate Pic système 17 Expérience 1b Mesure avec suppression chimique Tableau 5 Paramètres Expérience 1b Colonne Éluant Échantillon Méthode Système Débit Pression Durée d analyse Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Standard (fluorure, chlorure, nitrite, bromure, nitrate, phosphate, sulfate) exp_01_s.mtw asupp.smt 0.5 ml/min 3 MPa 16 min 54 Monographie Metrohm

57 Boucle d échantillonnage 20 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure. Ajouter ensuite 20 ml d acétone. Chromatogramme 2 Solution standard avec suppression chimique Tableau 6 Composés Expérience 1b Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure Chlorure Pic système Nitrite Bromure Nitrate Phosphate Sulfate Remarques Le pic système est ici bien moins important que dans l expérience 1a, chromatogramme 1, et peut être observé seulement lorsqu une échelle de conductivité très sensible est utilisée. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 55

58 4.2.2 Expérience 2 Capacité des colonnes de séparation Des pics coupés, des pics en forme de nageoires de requin, des temps de rétention non reproductibles, des pics montrant du tailing ou du fronting tous ces problèmes peuvent avoir la même cause: une surcharge de la colonne. Chaque colonne possède un nombre déterminé de sites d échange. Avant que l échantillon ne soit injecté, ces derniers sont complètement occupés par les ions de l éluant. L échange ionique commence lorsque l échantillon est introduit: les ions éluants sont échangés contre des ions échantillons et les ions échantillons contre les ions éluants. Comme les espèces ioniques se différencient par leurs constantes de liaison, elles éluent et quittent la colonne à des vitesses différentes. Le résultat souhaité est une séparation d un mélange de substances et l obtention d un chromatogramme. Ce procédé fonctionne sans problème uniquement lorsque le nombre de sites d échange est bien plus grand que le nombre de sites de liaison requis par l échantillon. Ainsi, par exemple, une colonne possédant une capacité de 1 meq (milli équivalent) peut lier au maximum 1 mmol d ions monovalents. Un deuxième effet pouvant détériorer la séparation vient du fait que chaque ion est en principe en mesure d agir comme un ion éluant. À l occasion d une surcharge de colonne, un trop grand nombre d ions éluants sont remplacés par des ions échantillons. Un nombre incalculable de changements d équilibre de la colonne a alors lieu et la séparation se détériore. La capacité d une colonne se détermine en la chargeant complètement avec des ions chlorure. Après une étape de rinçage avec de l eau déminéralisée, les ions chlorure sont élués avec un éluant à base de carbonate, puis quantifiés à l aide de la chromatographie ionique ou d un titrage argentométrique. Dans l expérience suivante, la concentration en chlorure est augmentée jusqu à ce que la colonne soit surchargée. Certains effets allant de paire avec la surcharge de la colonne sont décrits ci-dessous: les temps de rétention des ions suivants deviennent plus courts, le pic de l ion dominant est coupé, le pic de l ion dominant possède un tailing, le nombre de plateaux théoriques «theoretical plate count» (TP) devient plus petit, le rapport surface/hauteur («Area/Height») devient de moins en moins bon (à surface constante, la hauteur de pic diminue) et la symétrie de pic se détériore. La symétrie de pic se détériore également lorsque le filtre à l entrée de la colonne est bouché, lors de volumes morts élevés provoqués par des phénomènes d absorption sur le matériau de la colonne. Contenu à apprendre Expliquer les paramètres chromatographiques: temps de rétention, résolution, surface, nombre de plateaux, symétrie et rapport surface/hauteur Influence d un des composés principaux dominants sur les composés de concentration bien plus inférieure: variation des paramètres cités ci-dessus 56 Monographie Metrohm

59 Tableau 7 Paramètres Expérience 2 Colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Échantillon Standard (fluorure, chlorure, nitrite, bromure, nitrate, phosphate, sulfate) + NaCl (pesée environ 1 g) Méthode exp_02_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 3 MPa Durée d analyse 16 min Boucle d échantillonnage 20 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure et ajouter ensuite 20 ml d acétone. Chromatogramme 3 Solution standard avec forte concentration en chlorure Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 57

60 Chromatogramme 4 Solution standard avec forte concentration en chlorure; extrait du chromatogramme 3 agrandi Remarques Le chlorure de sodium est pesé. Les temps de rétention des pics ainsi que les nombres de plateaux théoriques et la surface peuvent varier selon la quantité de NaCl pesée. Le très grand pic de chlorure perturbe l évaluation des pics suivants. Une identification correcte de chaque pic n est possible que lorsque la solution échantillon est dopée avec l anion à déterminer. 58 Monographie Metrohm

61 4.2.3 Expérience 3 Sélectivité des colonnes de séparation Si on représente la force de l éluant en fonction du logarithme du temps de rétention des ions monovalents et divalents, on obtient alors une droite. La pente de cette droite est plus importante pour les ions divalents que pour les ions monovalents. L augmentation de la force éluante a ainsi une influence plus importante sur le temps de rétention des ions divalents que sur celui des ions monovalents. Cet effet peut être observé avec l ion sulfate. L élution de l ion sulfate est plus accélérée que celle des ions monovalents lors d une augmentation de concentration de l éluant. De manière générale, les ions éluants divalents possèdent une plus grande force d élution que les monovalents car ils peuvent former deux liaisons avec la phase stationnaire et donc entrer plus fortement en interaction avec elle. L hydroxyde de sodium est plus basique que le mélange carbonate/hydrogénocarbonate à concentration égale. Comparativement à celle du carbonate, la force d élution de l ion OH est inférieure parce que l ion hydroxyde présente une interaction moindre avec la phase stationnaire. Le temps de rétention de l ion phosphate est fortement dépendant de la valeur ph. À ph élevé, l équilibre 2 3 se déplace de HPO 4 vers PO 4. Si l on ajoute de l hydroxyde de sodium à un éluant à base de carbonate de sodium, le temps de rétention du phosphate est plus long, alors que les temps de rétention de tous les autres ions sont plus courts. Contenu à apprendre Comparaison d éluants avec des anions monovalents et divalents Comparaison des éluants à base d hydroxyde de sodium et de carbonate/hydrogénocarbonate Influence de la valeur ph de l éluant sur la rétention du phosphate Tableau 8 Colonne Paramètres Expériences 3a jusqu à 3d Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant a) 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 / 2.4 mmol/l NaHCO 3 b) 4 mmol/l Na 2 CO 3 / 1 mmol/l NaHCO 3 c) 4 mmol/l Na 2 CO 3 / 1 mmol/l NaOH d) 1 mmol/l Na 2 CO 3 / 4 mmol/l NaOH Conductivité après suppression chimique, environ 17 µs/cm Échantillon Standard (fluorure, chlorure, nitrite, bromure, nitrate, phosphate, sulfate) Méthode exp_03_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 3 MPa Durée d analyse a) 14 min b) 11 min c) 11 min d) 24 min Boucle d échantillonnage 20 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 59

62 Expérience 3a Éluant: 2,5 mmol/l Na 2 CO 3 / 2,4 mmol/l NaHCO 3 Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 1 L d eau ultrapure. Chromatogramme 5 Solution standard Éluant: 2,5 mmol/l Na 2 CO 3 / 2,4 mmol/l NaHCO 3 Tableau 9 Composés Expérience 3a Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure Chlorure Nitrite Bromure Nitrate Phosphate Sulfate Monographie Metrohm

63 Expérience 3b Éluant: 4 mmol/l Na 2 CO 3 / 1 mmol/l NaHCO 3 Fabrication de l éluant Mettre en solution 424 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 84 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 1 L d eau ultrapure. Chromatogramme 6 Solution standard Éluant: 4 mmol/l Na 2 CO 3 / 1 mmol/l NaHCO 3 Tableau 10 Composés Expérience 3b Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure Chlorure Nitrite Bromure Phosphate Nitrate Sulfate Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 61

64 Expérience 3c Éluant: 4 mmol/l Na 2 CO 3 / 1 mmol/l NaOH Fabrication de l éluant Mettre en solution 424 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 40 mg de NaOH dans 1 L d eau ultrapure. Chromatogramme 7 Solution standard Éluant: 4 mmol/l Na 2 CO 3 / 1 mmol/l NaOH Tableau 11 Composés Expérience 3c Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure Chlorure Nitrite Bromure Nitrate Phosphate + Sulfate / Monographie Metrohm

65 Expérience 3d Éluant: 1 mmol/l Na 2 CO 3 / 4 mmol/l NaOH Fabrication de l éluant Mettre en solution 106 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 160 mg de NaOH dans 1 L d eau ultrapure. Chromatogramme 8 Solution standard Éluant: 1 mmol/l Na 2 CO 3 / 4 mmol/l NaOH Tableau 12 Composés Expérience 3d Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure Chlorure Nitrite Bromure Nitrate Pic système Sulfate Phosphate Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 63

66 4.2.4 Expérience 4 Calibrage, limites de détection et de détermination en chromatographie ionique Les paramètres importants des méthodes d analyse sont: le domaine de linéarité, la limite de détection et la limite de détermination. Les procédés mathématiques se référant à ces paramètres sont présentés par exemple dans la norme DIN Si les chromatogrammes sont enregistrés à l aide d un conductimètre, la quantification est réalisée par rapport à la surface du pic qui est proportionnelle à la quantité de substance. Si on représente la surface de pic en fonction de la concentration, on obtient alors une fonction de calibrage qui est linéaire pour les mesures sans suppression chimique. Elle est proche d une fonction quadratique pour les mesures avec suppression chimique. Les logiciels calculent les fonctions de calibrage de manière automatique. L évaluation à l aide de la hauteur de pic est utilisée de préférence pour les pics possédant un fort tailing ou pour les pics n étant pas suffisamment séparés par leur rapport surface/hauteur de pic; dans ces cas-là, l évaluation par la surface est incorrecte. La limite de détection représente la concentration minimale d un analyte que l on peut encore déterminer avec une incertitude statistique donnée. On calcule ainsi la concentration théorique la plus basse que l on peut différencier d une valeur à blanc. Il existe deux méthodes permettant de déterminer la limite de détection (LD): Méthode par la valeur à blanc L échantillon à blanc doit être un échantillon ne contenant pas l ion à déterminer, mais qui livre un signal de mesure au même endroit que l ion échantillon. La mesure répétée d un échantillon à blanc donne à la concentration «0» (valeur x) des valeurs de mesure (valeurs y), dont la moyenne est dénommée valeur à blanc. La limite de détection est déterminée grâce à la courbe de calibrage et elle est égale à la valeur de x correspondant à la valeur maximale de y. Méthode par la droite de calibrage Cette méthode est utilisée lorsqu on ne peut pas effectivement déterminer de valeur à blanc, car l ion à déterminer dans l échantillon ne peut pas être détecté. Pour la méthode par droite de calibrage, on mesure différentes concentrations d un ion, plusieurs fois. Grâce à la déviation standard on obtient un domaine de confiance. C est ainsi que la concentration «0» correspond à un intervalle y déterminé. Par l intermédiaire de la fonction de calibrage, on fait correspondre à l intervalle y un intervalle de concentration dont le maximum correspond à la limite de détection. Souvent, pour la détermination de la limite de détection, on utilise également le rapport signal/bruit. Par exemple, on définit comme limite de détection la concentration en analyte, dont le signal de mesure est trois, cinq ou sept fois supérieur au bruit de fond de la ligne de base. La limite de détermination est atteinte lorsque le rapport signal/bruit est au moins égal à 3. C est seulement à ce moment qu une valeur numérique est donnée comme valeur d analyse, car autrement l erreur de mesure serait trop grande comparativement à la valeur de mesure elle-même. Comme approximation, on peut dire que la limite de détermination est supérieure d un facteur trois à la limite de détection. Contenu à apprendre Que signifie calibrage? Comparaison entre un calibrage à un point et un calibrage à plusieurs points estimation de l erreur Détermination du bruit de système Estimation de la limite de détection 64 Monographie Metrohm

67 Expérience 4a Détermination d anions avec suppression chimique Tableau 13 Paramètres Expérience 4a Colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Échantillon Standard (fluorure, chlorure, nitrite, bromure, nitrate, phosphate, sulfate) Méthode exp_04_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 3 MPa Durée d analyse 16 min Boucle d échantillonnage 20 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure. Ajouter ensuite 20 ml d acétone. Chromatogramme 9 Superposition Solutions standards de différentes concentrations avec suppression chimique Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 65

68 Tableau 14 Composés Expérience 4a Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Niveau 4 1 Fluorure Chlorure Pic système Nitrite Bromure Nitrate Phosphate Sulfate Expérience 4b Détermination d anions sans suppression chimique Tableau 15 Paramètres Expérience 4b Colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant 8 mmol/l acide phtalique, 2% acétonitrile; ph = 4.1 Conductivité environ 400 µs/cm Échantillon Standard (fluorure, chlorure, nitrite, bromure, nitrate, phosphate, sulfate) Méthode exp_04_n.mtw Système anonsupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 3 MPa Durée d analyse 20 min Boucle d échantillonnage 100 µl Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 1,33 g d acide phtalique dans 20 ml d acétonitrile et un peu d eau, puis compléter à 1 L. Ajuster la valeur ph à 4,1 par addition d environ 1 g de TRIS (solide). 66 Monographie Metrohm

69 Chromatogramme 10 Superposition Solutions standards de concentrations différentes sans suppression chimique Tableau 16 Composés Expérience 4b Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Niveau 4 1 Fluorure Chlorure Nitrite Bromure Nitrate Sulfate Pic système 17.0 Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 67

70 4.2.5 Expérience 5 Variation de la sélectivité à l aide d éthers couronne (18-couronne-6) Il est possible de faire varier les temps de rétention des cations grâce à l addition d agents complexants dans les éluants. L agent complexant joue le rôle de ligand et le cation analyte est intégré en tant qu ion métallique central. Plus le ligand est sélectif par rapport à un ion métallique central, plus son temps de rétention peut être influencé. Les temps de rétention des autres cations ne sont, dans le cas idéal, que peu modifiés. Les agents complexants sont mis en application afin d obtenir une meilleure séparation des ions métalliques alcalins. L addition d éther couronne 18-couronne-6 permet de réaliser une meilleure séparation de Na + +, NH 4 et K + +. Ceci est intéressant dans le cas où par exemple des traces de NH 4 doivent être déterminées à côté d une concentration en Na + nettement plus élevée, comme c est le cas dans les eaux naturelles. L augmentation du temps de rétention de K + est particulièrement remarquable. Ceci peut être expliqué par la liaison du complexe de K + à l éther dibenzo-18-couronne-6 (18-couronne-6). K + rentre exactement dans la «cage» de l éther. Une complexation a lieu à l aide de la paire d électrons de l atome d oxygène. Après la complexation, c est une bien plus grosse molécule qu il s agit de séparer, même si la charge est identique. Le temps de rétention du potassium devient donc plus grand, en raison de la gêne stérique ainsi provoquée. La dénomination 18-couronne-6 montre que le système cyclique est composé de 18 atomes, dont 6 sont des atomes d oxygène. Les éthers couronnes jouent un rôle important dans la chromatographie ionique, mais ils sont également utilisés comme phase ionique sélective dans les électrodes au potassium. Contenu à apprendre Figure 26 Complexe 18-couronne-6-potassium Influence d un agent complexant très sélectif sur les temps de rétention Explication de l effet comparativement à l expérience 6 Tableau 17 Paramètres Expériences 5a et 5b Colonne Metrosep C2 (4 x 100 mm) Éluant a) 4 mmol/l acide tartrique / 0.75 mmol/l acide dipicolinique b) 4 mmol/l acide tartrique / 0.75 mmol/l acide dipicolinique mmol/l éther couronne Conductivité d environ 590 µs/cm Échantillon Standard (lithium, sodium, ammonium, potassium, calcium, magnésium + 2 mmol/l HNO 3 ) Méthode exp_05_c.mtw Système cation.smt Débit 1 ml/min Pression 8 MPa Durée d analyse a) 12 min b) 17 min Boucle d échantillonnage 10 µl Polarité 68 Monographie Metrohm

71 Expérience 5a Éluant sans éther couronne Fabrication de l éluant Mettre en solution en chauffant 600 mg d acide tartrique et 125 mg d acide dipicolinique dans 100 ml d eau ultrapure, puis compléter à 1 L avec de l eau ultrapure. Chromatogramme 11 Solution standard Éluant sans éther couronne Tableau 18 Composés Expérience 5a Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Lithium Sodium Ammonium Potassium Calcium Magnésium Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 69

72 Expérience 5b Éluant avec éther couronne Fabrication de l éluant Mettre en solution en chauffant 600 mg d acide tartrique et 125 mg d acide dipicolinique dans 100 ml d eau ultrapure, puis ajouter 132 mg d éther couronne et compléter à 1 L avec de l eau ultrapure. Chromatogramme 12 Solution standard Éluant avec éther couronne Tableau 19 Composés Expérience 5b Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Lithium Sodium Ammonium Calcium Magnésium Potassium Monographie Metrohm

73 4.2.6 Expérience 6 Variation de la sélectivité à l aide d agents complexants Lors de l analyse des ions magnésium, sodium et potassium, en présence d ions zinc et calcium, on utilise la propriété des ions zinc et calcium à former des complexes avec l acide dipicolinique (en anglais: DPA, 2,6-pyridindicarboxylic acid). Figure 27 Complexe Me 2+ de l acide dipicolinique La constante résultant de la formation de ce complexe Me 2+ + (DPA) [Me(DPA)] 2+ est différente pour chaque métal. Les complexes suivants peuvent se former, en fonction de la valeur ph (déprotonation croissante avec valeur ph croissante): Domaine acide Domaine faiblement acide Domaine alcalin Selon la valeur ph, on a à disposition un complexe doublement ou simplement chargé positivement ou un complexe sans charge. Le critère de séparation de base sur une colonne échangeuse de cations est la charge de l ion à déterminer. Les complexes non chargés ne sont pas retenus, alors que les complexes de charge trois fois positive sont très fortement retenus. La charge d équilibre moyenne du complexe dépend de la constante de complexation et la valeur ph utilisée. Cette charge d équilibre détermine le temps de rétention. C est la raison pour laquelle des ions métalliques divalents peuvent être accélérés par l intermédiaire d une addition d acide dipicolinique, dans une gamme de ph déterminée. Les temps de rétention des ions métalliques monovalents ne formant pas de complexe avec l acide dipicolinique ne seront pas modifiés. Contenu à apprendre Influence de la constante de complexation sur le temps de rétention comparaison entre le zinc et le calcium Comportement d autres ions métalliques de transition Influence de la valeur ph sur la charge totale du complexe Explication de l effet comparativement à l expérience 5 Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 71

74 Tableau 20 Paramètres Expériences 6a jusqu à 6d Colonne Metrosep C2 (4 x 100 mm) Éluant a) 4 mmol/l acide tartrique Conductivité d environ 500 µs/cm b) 4 mmol/l acide tartrique mmol/l acide dipicolinique Conductivité d environ 500 µs/cm c) 4 mmol/l acide tartrique mmol/l acide dipicolinique Conductivité d environ 520 µs/cm d) 4 mmol/l acide tartrique mmol/l acide dipicolinique Conductivité d environ 590 µs/cm Échantillon Standard (sodium, zinc, potassium, calcium, magnésium + 2 mmol/l HNO 3 ) Méthode exp_06_c.mtw Système cation.smt Débit 1 ml/min Pression 7 MPa Durée d analyse a) 23 min b) 20 min c) 16 min d) 13 min Boucle d échantillonnage 10 µl Polarité 72 Monographie Metrohm

75 Expérience 6a Éluant: 4 mmol/l acide tartrique Fabrication de l éluant Mettre en solution 600 mg d acide tartrique dans 1 L d eau ultrapure. Chromatogramme 13 Solution standard Éluant: 4 mmol/l acide tartrique Tableau 21 Composés Expérience 6a Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Sodium Potassium Zinc Magnésium Calcium Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 73

76 Expérience 6b Éluant: 4 mmol/l acide tartrique mmol/l acide dipicolinique Fabrication de l éluant Mettre en solution en chauffant 600 mg d acide tartrique et 17 mg d acide dipicolinique dans 100 ml d eau ultrapure, puis compléter à 1 L. Chromatogramme 14 Solution standard Éluant: 4 mmol/l acide tartrique mmol/l acide dipicolinique Tableau 22 Composés Expérience 6b Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Zinc Sodium Potassium Magnésium Calcium Monographie Metrohm

77 Expérience 6c Éluant: 4 mmol/l acide tartrique mmol/l acide dipicolinique Fabrication de l éluant Mettre en solution en chauffant 600 mg d acide tartrique et 42 mg d acide dipicolinique dans 100 ml d eau ultrapure, puis compléter à 1 L. Chromatogramme 15 Solution standard Éluant: 4 mmol/l acide tartrique mmol/l acide dipicolinique Tableau 23 Composés Expérience 6c Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] Zinc ~ Sodium Potassium Calcium + Magnésium Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 75

78 Expérience 6d Éluant: 4 mmol/l acide tartrique mmol/l acide dipicolinique Fabrication de l éluant Mettre en solution en chauffant 600 mg d acide tartrique et 125 mg d acide dipicolinique dans 100 ml d eau ultrapure, puis compléter à 1 L. Chromatogramme 16 Solution standard Éluant: 4 mmol/l acide tartrique mmol/l acide dipicolinique Tableau 24 Composés Expérience 6d Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] Zinc ~ Sodium Potassium Calcium Magnésium Remarques Toutes les solutions doivent être conservées dans des récipients en plastique. Il est absolument nécessaire d éviter tout contact avec le verre pour permettre une détermination correcte du sodium. La valeur ph des solutions standards et des échantillons doit se trouver entre 2,5 et 3,5. Lors d un changement d éluant, il est nécessaire de laisser travailler le système un certain temps afin d obtenir une ligne de base constante. Dans les chromatogrammes 15 et 16: le zinc est complexé par l acide dipicolinique et est élué dans le pic frontal. 76 Monographie Metrohm

79 4.2.7 Expérience 7 Technique de préconcentration L introduction de l échantillon en chromatographie ionique a lieu à l aide d une boucle d échantillonnage (en anglais: sample loop) qui est intégrée dans la valve d injection. Dans des conditions d utilisation standards, le volume de la boucle d injection varie de 20 µl pour les anions à 10 µl pour les cations. Grâce à de telles boucles d échantillon et à l aide d un système de CI simple, il est possible d obtenir aisément des limites de détection de l ordre de 100 µg/l (100 ppb). Une augmentation du volume de la boucle d échantillon (100 µl) permet de réduire les limites de détection d un facteur 10 environ: il faut cependant considérer que des volumes d échantillons supérieurs ont pour effet un pic d injection nettement plus important, ce qui perturbe l évaluation des pics éluant tôt. La forme des pics se détériore également pour les pics asymétriques. La technique de préconcentration d échantillon est une méthode simple qui permet une réduction des limites de détection de plusieurs puissances. Une colonne de préconcentration est installée à la place de la boucle. Un volume d échantillon élevé dans notre exemple 5 ml est conduit sur la colonne de préconcentration, qui est en principe remplie du même matériau que la colonne de séparation. Ceci permet de garantir que tous les ions à analyser en provenance de la solution échantillon soient retenus complètement sur la colonne. Ils sont ensuite élués avec un faible volume d éluant, ce qui permet la préconcentration. Cependant, celle-ci ne fonctionne que lorsque l échantillon ne contient pas d ions susceptibles de jouer le même rôle que les ions de l éluant. La capacité d une colonne de préconcentration est très inférieure à celle d une colonne de séparation. Afin de pouvoir éluer les ions analytes enrichis dans le plus petit volume possible, l extraction a lieu à l aide de l éluant à contre-courant, ce qui signifie que la direction du débit pendant l élution est contraire à celle utilisée pendant la préconcentration. De manière générale, on travaille avec des éluants alcalins et avec suppression chimique. Figure 28 Technique de préconcentration: figure de gauche: position «fill», figure de droite: position «inject» La technique de préconcentration permet de déterminer des concentrations dans la gamme des ppb même si le système de chromatographie à disposition est rudimentaire. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 77

80 Contenu à apprendre Que représente la préparation des échantillons? Où est l interface entre chromatographie ionique et préparation des échantillons? Quel est l avantage de la préconcentration d échantillon? Quelles sont les limites de ce procédé? Pourquoi utilise-t-on des éluants alcalins avec la suppression chimique? Quel est l effet du CO 2 /carbonate dans l échantillon? Tableau 25 Paramètres Expérience 7 Colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Échantillon Eau ultrapure Méthode exp_07_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 4 Mpa Durée d analyse 16 min Colonne de préconcentration Metrosep Anion Volume d échantillon 5 ml sur la colonne de préconcentration Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure et ajouter 20 ml d acétone. 78 Monographie Metrohm

81 Chromatogramme 17 Solution standard (1 ppb de chaque anion) pour l analyse de l eau ultrapure Tableau 26 Composés Expérience 7 Standard Pic Composés t R [min] Conc. [µg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure + Acétate Chlorure Pic système Nitrite Bromure Nitrate Phosphate Sulfate Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 79

82 Chromatogramme 18 Eau ultrapure Tableau 27 Composés Expérience 7 Eau ultrapure Pic Composés t R [min] Conc. [µg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système 6.8 Remarques Rincer à fond plusieurs fois les récipients, seringues et le système; utiliser des récipients en plastique. 80 Monographie Metrohm

83 4.3 Expériences pour la détermination des anions Expérience 8 Anions dans l eau potable L eau potable est un élément essentiel à notre vie. Elle est obtenue à partir des nappes souterraines et de l eau de surface: eaux des lacs, barrages, filtrats de rive, eaux souterraines enrichies avec de l eau de surface, eaux de rivière. Selon la norme DIN 2000, l eau potable doit remplir les exigences de base suivantes: Elle doit être incolore, claire, fraîche, inodore et sans saveur. Elle doit être au possible, par nature, libre de bactéries et de matières nocives à la santé. Elle ne devrait pas contenir trop de sels qui rendent l eau dure, de fer, de manganèse, ainsi que des matières organiques (matière des marais et humiques). Elle ne doit pas provoquer de corrosion. Elle doit être en quantité suffisante pour combler tous les besoins de la population. Selon le degré d impureté, différents procédés de traitement des eaux peuvent être employés. Le dégrillage enlève les impuretés grossières et les grosses particules. Un filtre à sable permet une filtration plus fine; des processus de biodégradation ont lieu dans le sable, qui participent à son nettoyage. Figure 29 Schéma du traitement de l eau potable graphique selon Thomas Seilnacht, Tuttling (République fédérale d Allemagne) Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 81

84 Des filtres à charbon actif adsorbent les substances organiques dissoutes, par exemple pesticides. Il faut supprimer le fer et le manganèse par oxydation de Fe(II) et Mn(II); si cette réaction avait lieu dans les canalisations d eau potable, elle aurait pour conséquence une coloration marron et une certaine turbidité, ainsi qu une formation de particules. Une désinfection est toujours nécessaire lorsque l eau n est pas libre d agents pathogènes. On utilise le chlore, l ozone, le dioxyde de chlore et la lumière UV. Chloration de sécurité avant l entrée dans la canalisation d eau potable, afin d éviter une nouvelle contamination bactériologique sur le chemin vers le consommateur. Contenu à apprendre Analyse du produit alimentaire «Numéro 1» Contrôle des données des bouteilles d eaux minérales Tableau 28 Valeurs limites pour l eau potable (Allemagne) Fluorure 1,5 mg/l comme F Nitrate 50 mg/l comme NO 3 Nitrite 0,1 mg/l comme NO 2 Chlorure 250 mg/l Sulfate 250 mg/l Tableau 29 Paramètres Expérience 8 Colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Échantillon Eau potable (eau du robinet, eau minérale) Méthode exp_08_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 3 MPa Durée d analyse 16 min Boucle d échantillonnage 20 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep mit Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure et ajouter 20 ml d acétone. 82 Monographie Metrohm

85 Chromatogramme 19 Eau du robinet de Herisau, Suisse Tableau 30 Composés Expérience 8 Eau du robinet Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure Chlorure Pic système Nitrate Sulfate Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 83

86 Chromatogramme 20 Eau minérale sans gaz carbonique Tableau 31 Composés Expérience 8 Eau minérale sans gaz carbonique Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure Chlorure Pic système Bromure Nitrate Sulfate Remarques Les eaux minérales contenant de l acide carbonique doivent être dégazées avant la mesure pourquoi? 84 Monographie Metrohm

87 4.3.2 Expérience 9 Anions dans l éthanol et les alcools La détermination d anions dans les solvants organiques est possible, même si des pics interférents dus à la matrice apparaissent souvent au début du chromatogramme. Des exemples d analyse du gin, whisky et éthanol sont présentés ici. Afin d atteindre des limites de détection inférieures, on peut se servir de la technique de préconcentration (voir chapitre 4.2.7). Cependant, il est possible que la matrice de l échantillon (par exemple l éthanol) perturbe la détermination. Il en résulte des pics déformés, difficilement évaluables (voir chromatogramme 26). Dans ces cas-là, il est nécessaire d éliminer la matrice, en rinçant la colonne de préconcentration avec de l eau ultrapure (élimination de matrice). De cette façon, on obtient de meilleurs chromatogrammes (voir chromatogramme 25). La technique par élimination de matrice est adaptée à l analyse de solvants polaires ou apolaires. Il est également possible de séparer les matières organiques de solutions aqueuses à l aide d une colonne de préparation d échantillon sous forme RP (Reversed Phase). Contenu à apprendre Analyse de produits alimentaires Effet de matrice en chromatographie Préparation des échantillons Préconcentration d échantillon et élimination de matrice Tableau 32 Paramètres Expériences 9a jusqu à 9c Colonne Éluant Échantillon Méthode Système Débit Pression Durée d analyse Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm a) Gin b) Whisky c) Éthanol exp_09_s.mtw asupp.smt 0.5 ml/min 5 MPa a) 17 min b) 33 min c) 17 min Boucle d échantillonnage a) 100 µl b) 100 µl c) 500 µl sur colonne de préconcentration Metrosep Anion ; pour élimination de matrice, rincer avec 2 ml d eau ultrapure Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 85

88 Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure, puis ajouter 20 ml d acétone. Expérience 9a Détermination d anions dans le Gin Chromatogramme 21 Solution standard pour l analyse du Gin Tableau 33 Composés Expérience 9a Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Sulfate Oxalate Monographie Metrohm

89 Chromatogramme 22 Analyse du Gin Tableau 34 Composés Expérience 9a Gin Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Nitrate Sulfate Oxalate Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 87

90 Expérience 9b Détermination d anions dans le whisky Chromatogramme 23 Solution standard pour l analyse du whisky Tableau 35 Composés Expérience 9b Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Phosphate Malate Sulfate Oxalate Monographie Metrohm

91 Chromatogramme 24 Analyse du whisky Tableau 36 Composés Expérience 9b Whisky Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Phosphate Malate Sulfate Oxalate Remarques Les pics 3, 4 et 10 n ont pas été évalués. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 89

92 Expérience 9c Détermination d anions dans l éthanol avec préconcentration et élimination de matrice Chromatogramme 25 Détermination d anions dans l éthanol avec élimination de matrice Tableau 37 Composés Expérience 9c Éthanol avec élimination de matrice Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Sulfate Oxalate Monographie Metrohm

93 Chromatogramme 26 Détermination d anions dans l éthanol sans élimination de matrice Tableau 38 Composés Expérience 9d Éthanol sans élimination de matrice Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] Pas de pics Remarques Rincer à fond plusieurs fois les récipients, seringues et le système et utiliser des récipients en plastique. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 91

94 4.3.3 Expérience 10 Anions dans la laitue Dans le corps humain, le nitrate est apporté par l eau potable ainsi que par la consommation de produits alimentaires à base végétale (légumes, salade, etc.). L organisation mondiale de la santé, l OMS, (en anglais: WHO: World Health Organization) recommande de ne pas dépasser une consommation de nitrate journalière de 220 mg par personne. En Allemagne, la consommation moyenne journalière est d environ 130 mg par personne. Environ 5% de cette consommation de nitrates provient des produits à base de viande et de charcuterie, le reste provenant à part égale de l eau potable et des légumes. Le nitrate peut avoir un effet néfaste, sur la santé de l homme de manières différentes. Le nitrate lui-même n est pas vraiment toxique. Seulement la prise d une grosse quantité peut provoquer des inflammations de l estomac et de l intestin. Mais dans des conditions bien définies, c est à dire lors de la présence de bactéries, comme c est le cas dans la bouche de l homme, l enzyme nitrate réductase réduit le nitrate en nitrite: NO 3 enzyme NO 2 Le nitrite lui-même est en mesure de convertir l hémoglobine (les globules rouges du sang) en méthémoglobine (Fe 2+ est oxydé en Fe 3+ ). La méthémoglobine, contrairement à l hémoglobine, ne peut pas transporter l oxygène dans le sang. Chez les adultes, les réactions du métabolisme sont capables de réparer le dommages causés, mais le métabolisme des bébés âgés de moins de cinq mois n est pas capable de le faire. Le manque d oxygène apparu dans le sang rend la peau du bébé bleutée. Ce phénomène, dénommé également méthémoglobinémie, peut entraîner la mort. Les nitrites peuvent encore former des nitrosamines dans le milieu acide de l estomac, par réaction avec diverses amines secondaires (deux atomes H de la molécule ammoniaque sont remplacés par des restes alkyle). Ces amines secondaires peuvent être apportées par les médicaments et l alimentation.abbildung 30 R = CH 3 diméthylnitrosamine Figure 30 Formation de nitrosamines à partir de nitrite et d amines secondaires Les nitrosamines font partie des substances les plus cancérigènes. Elles sont produites dans l organisme à partir de composés non cancérigènes. Contenu à apprendre Analyse de produits alimentaires Contrôle des produits alimentaires (nitrite et au nitrate) 92 Monographie Metrohm

95 Tableau 39 Paramètres Expérience 10 Colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Échantillon Laitue Méthode exp_10_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 5 MPa Durée d analyse 20 min Boucle d échantillonnage 20 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure, ajouter ensuite 20 ml d acétone. Préparation des échantillons Couper la salade en petits morceaux, la disperser et ajouter de l eau ultrapure (rapport 1:100), puis filtrer. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 93

96 Chromatogramme 27 Solution standard pour l analyse de la laitue Tableau 40 Composés Expérience 10 Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Phosphate Malate Sulfate Oxalate Monographie Metrohm

97 Chromatogramme 28 Analyse de la laitue (dilution 1:100) Tableau 41 Composés Expérience 10 Laitue Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Phosphate Malate Sulfate Oxalate Remarques Les pics 3, 9 et 10 n ont pas été évalués. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 95

98 4.3.4 Expérience 11 Acide phosphorique dans les boissons à base de Cola Le Coca-Cola est une boisson sans alcool contenant de l acide carbonique et de la caféine. Le pharmacien américain Pemberton le fabriqua pour la première fois en Ces composés sont à base d extraits de noix de cola, d oranges amères, de bois de caroube, d essence de gingembre, 12% de sucre, 0,28% d acide phosphorique (ph = 2,7), couleur caramel et dioxyde de carbone. La teneur en caféine est de l ordre de 16 mg/100 ml. Il existe une multitude de boissons à base de cola sur le marché (Pepsi Cola, Club Cola, River Cola, Afri Cola, etc.), qui se différencient par la constitution du Coca-Cola lui-même. La détermination de la teneur en acide phosphorique dans les boissons à base de cola est d une importance particulière, car les responsables régionaux de remplissage de cola reçoivent le concentré et le contrôle de remplissage a lieu par l intermédiaire de la teneur en acide phosphorique. Ceci requiert une détermination très exacte. L acide phosphorique peut se présenter sous 4 formes ( pka 1 = 2,161, pka 2 = 7,207, pka 3 = 12,325). La proportion des espèces différentes est dépendante de la valeur ph et peut être observée dans la figure suivante: Figure 31 Effet tampon de l acide phosphorique dans la gamme ph Pour les solutions tampons, on utilise souvent un mélange de phosphate primaire et secondaire, qui tamponne 2 2 dans le domaine ph allant de (90% H 2 PO % HPO 4 jusqu à 10% H 2 PO % HPO 4 ). Comparer également avec l équation de Henderson-Hasselbalch (équation tampon) 96 Monographie Metrohm

99 Contenu à apprendre Analyse de produits alimentaires Chimie de l acide phosphorique Influence de la valeur ph sur la séparation chromatographique Statistique: reproductibilité Tableau 42 Paramètres Expériences 11a jusqu à 11c Colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Échantillon Boissons à base de Cola Méthode exp_11_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 3 MPa Durée d analyse 18 min pour Coca-Cola, 30 min pour Coca-Cola light Boucle d échantillonnage 20 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure, puis ajouter 20 ml d acétone. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 97

100 Chromatogramme 29 Solution standard pour l analyse de boissons à base de Cola Tableau 43 Composés Expériences 11a jusqu à 11c Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Phosphate Sulfate Monographie Metrohm

101 Expérience 11a Analyse de Coca-Cola Chromatogramme 30 Analyse de Coca-Cola (dilution 1:10) Tableau 44 Composés Expérience 11a Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Phosphate Sulfate Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 99

102 Expérience 11b Analyse de Coca-Cola light Chromatogramme 31 Analyse de Coca-Cola light (dilution 1:10) Tableau 45 Composés Expérience 11b Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Phosphate Sulfate Remarques Les pics 6, 7 et 8 n ont pas été évalués. 100 Monographie Metrohm

103 Expérience 11c Reproductibilité des mesures du phosphate dans le Coca-Cola Chromatogramme 32 Superposition de 8 mesures (échantillon non dilué) Tableau 46 Reproductibilité des mesures Chromatogramme Surface phosphate Conc. phosphate [µs/cm*s] [mg/l] Déviation standard: inférieure à 0,2% Remarques Les boissons à base de cola doivent être dégazées. Pour le Cola light, on obtient le pic de l édulcorant cyclamate sous le pic du phosphate. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 101

104 4.3.5 Expérience 12 Acides organiques dans le vin Conformément à la loi allemande relative aux vins, le vin est un produit qui est obtenu seulement par fermentation alcoolique totale ou partielle de grappes de raisin fraîches ou écrasées ou à partir du jus de raisin. Le jus de fruit contient entre autres environ % d hydrures de carbone (glucose, fructose) et 0,9...1,5% d acides; les plus importants sont l acide tartrique L-(+) (2R, 3R) et l acide malique, à côté de l acide citrique, l acide kétoglutarique, l acide succinique et l acide lactique. Un critère important d évaluation du jus de fruits est le degré Oechsle (Oe ); il est d autant plus élevé que la teneur en sucre est grande. Il indique la différence de masse (en g) entre 1 L de jus de fruit à 20 C et un litre d eau distillée. Par exemple, un jus de fruit de poids spécifique 1,115 kg/l a le degré 115 Oe. Le degré Oechsle permet donc de déterminer la teneur du vin en sucre et en alcool. Il faut savoir que 1,7 g de sucre forme 1 ml (0,794 g) d éthanol. À partir de 12 à 15% d alcool dans le milieu, la fermentation cesse car les levures sont détruites elles-mêmes par l alcool qu elles ont produit. L arôme du vin comprend entre 600 et 800 composés: hydrocarbures, alcools, aldéhydes, cétones, acides, esters, lactones, éthers, phénols et bien d autres encore. D un point de vue analytique, les acides intéressants sont l acide tartrique 2R, 3R, l acide malique, l acide citrique, l acide lactique et l acide succinique. La teneur totale (calculée en acide tartrique) se situe en général entre 5,5 et 8,5 g/l. L acide acétique, propionique, les acides gras élevés et des quantités anormales d acide lactique sont présents dans des vins «malades» et sont formés par des micro-organismes. Figure 32 Acide tartrique L(+), forme (2R, 3R) La fermentation alcoolique se déroule selon l équation suivante: C 6 H 12 O ADP + 2 P levure 2 C 2 H 5 OH + 2 CO ATP Abréviations: ADP = adénosine diphosphate, ATP = adénosine triphosphate, P = phosphate Les acides organiques faibles sont déterminés à l aide de la chromatographie par exclusion ionique (voir chapitres 3.3.4, et ). 102 Monographie Metrohm

105 Tableau 47 Teneur en acide (mg/l) de vins allemands (Moyenne de 4 resp. 2 déterminations individuelles) Vin de qua- Portu- Riesling Müller-Thurgau lité typique gieser Kabinett Spätlese Auslese Beerenaus- Silvaner Spätlese Auslese Beeren- Rotwein lese, Eiswein Kabinett auslese Acide oxalique 15,7 13,0 11,0 45,8 16,0 21,7 16,7 40,9 15,4 19,5 Acide succinique 194,0 260,1 205,8 282,1 230,2 149,2 243,8 215,1 264,9 269,2 Acide fumarique 44,2 31,9 24,6 28,3 20,8 36,0 20,9 51,8 27,0 40,6 Acide glutarique 3,7 1,9 4,5 2,6 2,3 7,0 2,6 2,2 1,9 6,2 Acide c- resp. t-aconitique 2,1 1,9 + 5,5 4,9 6,4 1,4 2,5 1,6 4,5 Acide glycolique 1,8 1, ,4 6,9 3,7 3,4 1,7 5,8 D- + L-Acide lactique ,8 159,8 151, ,0 208, Acide anglycérinique 43,5 62,6 50,1 39,5 59,0 53,0 49,6 87,0 68,8 49,9 Acide triglycérinique ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 3-M-2,3-DHBS ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± Acide malique Acide tartrique Acide citramalique 94,5 53,7 63,0 18,6 46,8 48,2 31,3 33,8 24,2 41,0 Acide α-hydroxyglutarique 24,9 27,5 18,2 24,5 28,4 20,6 18,8 15,3 26,9 22,2 Acide citrique 138,9 150,2 241,1 222,8 298,6 287,3 200,7 221,7 240,2 335,1 Acide glyoxylique + 1, ,0 6,1 2,9 1,8 1,1 3,1 Acide pyruvique 20,6 29,8 17,8 12,4 16,8 8,6 17,6 22,7 18,6 33,0 Acide α-kétoglutarique 41,1 45,7 38,6 36,8 55,7 35,6 41,0 33,7 40,3 27,5 Acide gluconique 59,0 357,2 54,5 95,9 452,1 337,2 53,9 131,1 373,9 540 Acide mucique + 4,1 20,4 + 4,5 11,2 Acide glucuronique 2,1 3,4 3,8 5,8 7,9 14,5 1,7 6,0 7,6 10,2 Acide galacturonique 11,1 11,7 14,1 19,7 22,0 43,4 10,0 17,3 23,2 34,3 L-Acide ascorbique 12,9 9,0 13,7 10,1 9,8 9,6 12,0 10,4 9,7 8,5 Acides totaux Remarques = non détectable ± = présent sous forme de traces (environ 5 mg/l), non évalué + = traces 3-M-2,3-DHBS = acide 3-méthyl-2,3-dihydroxybutyrique Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 103

106 Contenu à apprendre Analyse des produits alimentaires Chromatographie par exclusion ionique Quels ions peuvent être déterminés à l aide de la chromatographie par exclusion ionique? Tableau 48 Paramètres Expériences 12a et 12b Colonne Metrosep Organic Acids (7.8 x 250 mm) Éluant 0.5 mmol/l H 2 SO 4 / acétone (85:15) Échantillon Vin blanc, vin rouge Méthode exp_12_o.mtw Système orgacids.smt Débit 0.5 ml/min Pression 3 MPa Durée d analyse 20 min Boucle d échantillonnage 20 µl Polarité + Fabrication de l éluant Mélanger 0.5 mmol de H 2 SO 4 (850 ml) et acétone (150 ml). Préparation des échantillons Diluer les échantillons de vin 1:100 et filtrer à travers un filtre 0,45 µm. 104 Monographie Metrohm

107 Chromatogramme 33 Solution standard pour la détermination d acides organiques dans le vin Tableau 49 Composés Expériences 12a et 12b Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Citrate Tartrate Malate Succinate Lactate Acétate Pic système 15.9 Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 105

108 Expérience 12a Détermination d acides organiques dans le vin blanc Chromatogramme 34 Détermination d acides organiques dans le vin blanc (dilution 1:100) Tableau 50 Composés Expérience 12a Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Citrate Tartrate Malate Succinate Lactate Acétate Pic système 15.8 Remarques Les pics 3, 5 et 6 n ont pas été évalués. 106 Monographie Metrohm

109 Expérience 12b Détermination d acides organiques dans le vin rouge Chromatogramme 35 Détermination d acides organiques dans le vin rouge (dilution 1:100) Tableau 51 Composés Expérience 12b Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Citrate Tartrate Malate Succinate Lactate Acétate Pic système 15.9 Remarques Les pics 3, 5 et 6 n ont pas été évalués; le citrate et le malate n ont pas pu être quantifiés correctement. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 107

110 4.3.6 Expérience 13 Contaminations dans le borate détermination du chlorure et du sulfate dans des solutions de borax Le borax (tétraborate disodique, Na 2 B 4 O 7 10 H 2 O, Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ] 8H 2 O) possède la structure suivante: Figure 33 «Borax» (tétraborate disodique, Na 2 B 4 O 7 10 H 2 O, Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ] 8 H 2 O) Lorsqu il fond, le borax peut mettre en solution de nombreux oxydes métalliques en formant des couleurs caractéristiques. Les «perles de borax» sont connues des travaux pratiques inorganiques. Le borax est utilisé entre autres lors de la fabrication du verre, de glaçure pour la poterie, de porcelaines et comme produit pour souder. À 100 C, le borax perd 5 molécules d eau et se transforme en pentahydrate «borax du bijoutier». Grâce aux produits ajoutés au produit à souder, les contaminations de surface, la plupart du temps des couches d oxydes, sont détruites. Elles provoqueraient un problème de formation d alliage entre la soudure (dans ce cas-là, ce sont des alliages à base d argent, cuivre et étain) et le matériau de base. Des solutions à base de tétraborate disodique (borax) sont utilisées dans les cycles intérieurs de refroidissement des centrales atomiques en tant qu absorbeurs de neutrons. Dans ce domaine, la qualité du matériau est tout particulièrement importante, car des traces de chlorure et de sulfate pourraient provoquer une corrosion de la tuyauterie, ce qui doit être à tout prix évité. L acide borique H 3 BO 3 ou B(OH) 3 est un acide très faible, dont la valeur pk a de 9,25 correspond à HCN. L acide borique n est pas donneur de H + (définition d un acide selon Brønsted), mais un accepteur de OH (définition d un acide selon Lewis): La chromatographie ionique sans suppression chimique utilise pour la détermination des impuretés dans le borate, un éluant acide à ph = 4,1. À cette valeur ph, le borate se trouve pratiquement exclusivement sous la forme d acide borique B(OH) 3. L acide borique, contrairement aux anions chargés négativement, ne présente pas d interaction avec la phase stationnaire de la colonne de séparation et est élué ainsi dans le volume mort. Si par contre, on travaille avec la suppression chimique, l éluant faiblement alcalin à base de carbonate/ hydrogénocarbonate est alors employé. Il est tout à fait possible de séparer le borate en tant qu anion, mais la détection ne fonctionne pas. Le problème se trouve au niveau du suppresseur. Ce dernier échange tous les ions Na + contre des ions H + et il se forme alors de l acide borique qui n est que très faiblement dissocié. La grande quantité d acide borique perturbe le chromatogramme et rend la détermination des anions presque impossible. Une élimination de matrice offre une solution à ce problème (voir chapitre 4.3.2). Dans les centrales atomiques, des traces d anions doivent être déterminées dans des solutions aqueuses de 2 à 4% d acide borique. Dans ces cas-là, on utilise la technique d élimination de matrice, avec la technique de préconcentration d échantillon (voir chromatogramme 38). 108 Monographie Metrohm

111 Contenu à apprendre Acides forts et faibles Comparaison entre des mesures avec et sans suppression chimique Préparation des échantillons Préconcentration des échantillons et élimination de matrice Expérience 13a Mesure sans suppression chimique Tableau 52 Paramètres Expérience 13a Colonne Éluant Échantillon Méthode Système Débit Pression Durée d analyse Boucle d échantillonnage 100 µl Polarité Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) 8 mmol/l acide phtalique, 2% acétonitrile; ph = 4.1 (TRIS) Conductivité environ 400 µs/cm 1 g/l borax dans de l eau ultrapure, dopé avec 1 ppm de chlorure et sulfate Exp_13_n.mtw Anonsupp.smt 0.5 ml/min 2 MPa 23 min Fabrication de l éluant Mettre en solution 1,33 g d acide phtalique dans 20 ml d acétonitrile et un peu d eau, puis ajouter de l eau dégazée et compléter à 1 L. Après addition d environ 1 g de TRIS (solide), ajuster la valeur ph à 4,1. Chromatogramme 36 Borate dopé avec 1 ppm de chlorure et sulfate Sans suppression chimique Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 109

112 Tableau 53 Composés Expérience 13a Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Sulfate Pic système 19 Expérience 13b Mesure avec suppression chimique Tableau 54 Paramètres Expérience 13b Colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique environ 16 µs/cm Échantillon 1 g/l Borax dans de l eau ultrapure, dopé avec 1 ppm de chlorure et sulfate Méthode exp_13_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 2 MPa Durée d analyse 16 min Boucle d échantillonnage 20 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure, puis ajouter 20 ml d acétone. 110 Monographie Metrohm

113 Chromatogramme 37 Borate dopé avec 1 ppm de chlorure et sulfate avec suppression chimique Tableau 55 Composés Expérience 13b Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Sulfate Chromatogramme exemple Détermination de traces d anions dans l acide borique avec préconcentration et élimination de matrice Tableau 56 Colonne Paramètres Chromatogramme exemple Metrosep Anion Dual 2 (4.6 x 75 mm) Éluant 0.8 mmol/l NaHCO 3 / 5.5 mmol/l Na 2 CO 3 Échantillon Solution aqueuse à 4% d acide borique Débit 0.8 ml/min Pression 4.6 MPa Durée d analyse 25 min Introduction d échantillon Faire passer 2 ml d échantillon sur une colonne de préconcentration, sur laquelle les traces d anions à déterminer sont retenues. Rincer ensuite la colonne de préconcentration avec de l eau ultrapure, afin d éliminer l acide borique (élimination de matrice), puis activer le débit d éluant (inject). Les traces d anions préconcentrées sont alors éluées de nouveau et transportées sur la colonne Metrosep-Anion-Dual-2, où elles sont ensuite séparées. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 111

114 Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 583 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 67,2 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 1 L d eau ultrapure. Chromatogramme 38 Détermination de traces d anions dans une solution d acide borique à 4% avec préconcentration et élimination de matrice Tableau 57 Composés Chromatogramme exemple Pic Composés t R [min] Conc. [µg/l] 1 Chlorure Nitrate Phosphate Sulfate Monographie Metrohm

115 4.3.7 Expérience 14 Anions dans des eaux usées Les eaux usées sont en général traitées dans des stations d épuration à l aide de bactéries. Les substances organiques sont oxydées par consommation d oxygène. Substances org. + O 2 bactéries CO 2 + H 2 O + masse cellulaire En plus de l oxydation des substances organiques, suivant le fonctionnement de la station d épuration, il est également possible d oxyder l ammonium en nitrate (nitrification). NH O 2 bactéries NO 3 + H 2 O + 2 H + Dans des bains exempts d oxygène, les bactéries utilisent l oxygène contenu dans la molécule de nitrate pour l oxydation des substances organiques (dénitrification). Substances org. + 2 NO 3 bactéries 2 CO OH + 2 H 2 O + N 2 + Le phosphate qui constitue un nutriment végétal au même titre que NH 4 et NO 3 peut par exemple être précipité par addition de solutions de sels de Fe 3+. À côté des paramètres globaux Demande Biochimique en Oxygène (DBO), Demande Chimique en Oxygène (DCO), Carbone Organique Total (COT) qui représentent un indice de contamination des eaux usées et des eaux de rejet, l analyse individuelle de 3 NH 4+, NO 3, PO 4 joue un rôle important. Cl 2, SO 4 sont seulement déterminés dans des cas spéciaux. Pour les stations d épuration communales de plus de équivalents habitant (1 équivalent habitant correspond à la charge de déchets produite par un habitant), les valeurs limite sont les suivantes en Allemagne: DBO 15 mg/l DCO 75 mg/l NH 4 -N 10 mg/l * N tot 18 mg/l * (somme de NH 4 -N, NO 2 -N, NO 3 -N) PO 4 -P tot 1 mg/l * N est valable que pour les températures d eaux usées 12 C car la nitrification est fortement influencée par la température. NH 4 -N, NO 2 -N, NO 3 -N signifie que les valeurs se reportent à l azote inclus dans les ions pris en considération; il en va de même pour PO 4 -P. Contenu à apprendre Analyse relative à la protection de l environnement Technique de préparation des échantillons Analyse de mélanges de substances avec d importantes différences de concentration domaine de concentration dynamique Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 113

116 Tableau 58 Paramètres Expériences 14a et 14b Colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Échantillon Eau usée communale (en provenance d Herisau, Suisse) Méthode exp_14_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 2 MPa Durée d analyse 15 min Boucle d échantillonnage 20 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure, puis ajouter 20 ml d acétone. Préparation des échantillons Les échantillons doivent absolument être filtrés, par exemple à l aide de Minisart (Sartorius) ou de supports filtres jetables (utilisable une seule fois) (Schleicher & Schüll) de porosité 0,45 µm ou inférieure. Même des solutions apparemment claires peuvent contenir de fines particules qui pourraient endommager la colonne. 114 Monographie Metrohm

117 Expérience 14a Entrée d une station d épuration Chromatogramme 39 Solution standard pour l analyse de l entrée d une station d épuration Tableau 59 Composés Expérience 14a Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Nitrate Phosphate Sulfate Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 115

118 Chromatogramme 40 Analyse de l entrée d une station d épuration Tableau 60 Composés Expérience 14a Entrée d une station d épuration Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Nitrate Phosphate Sulfate Remarques Les pics 2, 3, 4 et 8 n ont pas été évalués. 116 Monographie Metrohm

119 Expérience 14b Sortie d une station d épuration Chromatogramme 41 Solution standard pour l analyse de la sortie d une station d épuration Tableau 61 Composés Expérience 14b Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure Chlorure Nitrate Sulfate Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 117

120 Chromatogramme 42 Analyse de la sortie d une station d épuration Tableau 62 Composés Expérience 14b Sortie d une station d épuration Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure Chlorure Nitrate Sulfate Remarques Le pic 3 n a pas été évalué. 118 Monographie Metrohm

121 4.3.8 Expérience 15 Fluorure dans des pâtes dentifrices Les pâtes dentifrices sont fabriquées à partir de différents composés: Eau 30 à 40% Corps nettoyants ce sont des substances inorganiques insolubles, qui augmentent l effet nettoyant de la pâte dentifrice. La taille des particules est inférieure à 15 µm. Les corps nettoyants utilisés communément sont: Al 2 O 3, CaCO 3, CaHPO 4 2H 2 O, SiO 2 H 2 O, silicate de sodium et d aluminium. Fluorure le fluor renforce la résistance de l émail des dents contre les attaques acides qui proviennent de la plaque dentaire. En plus, les fluorures permettent une minéralisation de l émail dentaire (la partie inorganique de l émail dentaire est constituée essentiellement de phosphate de calcium, hydroxyapatite, carbonate de calcium, phosphate de magnésium, fluorure de calcium et chlorure de calcium). Le fluorure est important pour la prophylaxie contre les caries. Les composés à base de fluor utilisés le plus couramment sont le fluorure de sodium, monofluorophosphate de sodium et les fluorures d ammonium quaternaires qui contiennent également des ions fluorures libres. Dans certains pays, le fluorure est un supplément ajouté directement à l eau potable. Figure 34 Monofluorophosphate de sodium Tensio-actifs (p. e. sodium laurylsulfate) ils réduisent la tension de surface et participent à la répartition homogène de la pâte dentifrice. Ils augmentent l action nettoyante, surtout dans les endroits difficiles à atteindre avec la brosse à dents. D autres composés de la pâte dentifrice sont par exemple: Milieux hydratants (par exemple la glycérine, sorbite, polyéthylène glycol) ils améliorent la stabilité à froid et évitent le dessèchement. Matières agglutinantes et épaississantes (par exemple le carboxyméthyle cellulose de sodium) elles évitent la séparation des particules solides de la phase liquide. Édulcorants (par exemple la saccharine de sodium) ils améliorent le goût de la pâte dentifrice. Conservateurs (par exemple l acide 4-hydroxybenzoïque) ils sont utilisés pour éviter une désagrégation microbienne de la pâte dentifrice. Arômes ils sont ajoutés pour rendre le produit plus attrayant. On utilise entre autres de l huile de menthe, du menthol, de l huile d anis, de l huile d eucalyptus, des huiles aromatiques et de l huile de citron. En chromatographie ionique, on analyse dans la pâte dentifrice en plus des fluorures (provenant du fluorure de sodium), également le monofluorophosphate. Remarques Le citrate est élué sur la colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150) seulement après environ 90 min. Pour contrôler si du citrate est contenu dans la pâte dentifrice, on utilise dans l expérience 15b la cartouche précolonne Metrosep Anion Dual 1 ( ), à la place de la colonne de séparation Metrosep Anion Dual 1. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 119

122 Contenu à apprendre Contrôle qualité Préparation des échantillons Expérience 15a Pâte dentifrice sans citrate Tableau 63 Paramètres Expérience 15a Colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Échantillon Pâte dentifrice (sans citrate) Méthode exp_15_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 3 MPa Durée d analyse 50 min Boucle d échantillonnage 20 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure, puis ajouter 20 ml d acétone. Préparation des échantillons Dissoudre 1 g de pâte dentifrice dans 19 ml d eau ultrapure, puis filtrer à travers un filtre de porosité 0,45 µm. 120 Monographie Metrohm

123 Chromatogramme 43 Pâte dentifrice sans citrate (dilution 1:20) Tableau 64 Composés Expérience 15a Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fluorure Formiate Chlorure Pic système Monofluorophosphate Phosphate Sulfate Saccharine Expérience 15b Pâte dentifrice avec citrate Tableau 65 Paramètres Expérience 15b Colonne cartouche précolonne Metrosep Anion Dual 1 Éluant 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Échantillon Pâte dentifrice (avec citrate) Méthode exp_15b_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 121

124 Pression 3 MPa Durée d analyse 25 min Boucle d échantillonnage 20 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure, puis ajouter 20 ml d acétone. Préparation des échantillons Dissoudre 1 g de pâte dentifrice dans de l eau ultrapure (dilution 1:20), puis filtrer à travers un filtre de porosité 0,45 µm. Chromatogramme 44 Pâte dentifrice avec citrate (dilution 1:20) Tableau 66 Composés Expérience 15b Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Saccharine Citrate Monographie Metrohm

125 4.3.9 Expérience 16 Anions dans le sucre blanc et le sucre roux Figure 35 Le saccharose, exemple d un disaccharide Les sucres sont des composés organiques avec un groupe carbonyle hémi-acétal et plusieurs groupes hydroxy. En termes généraux, dans le langage courant, le nom de sucre se réfère au disaccharide saccharose. Lors de la fabrication de sucre à partir de betteraves sucrières, ces dernières sont tout d abord lavées, coupées, puis extraites dans un courant d eau contraire à l aide d une installation à diffusion. Pendant ce processus, les composants solubles tels que le sucre, les sels, les acides, les protéines et la pectine se mettent en solution. Par l intermédiaire d une addition de CaO, la plupart des constituants autres que les sucres sont ensuite précipités. On utilise ensuite le dioxyde de carbone CO 2 pour précipiter l hydroxyde de calcium sous la forme CaCO 3 Après filtration, la solution de sucre est concentrée au cours de plusieurs étapes d évaporation pour former le «sirop», puis filtrée de nouveau et concentrée encore jusqu à ce que le sucre se sépare sous forme de «masse cuite de sucre blanc». Ce sucre est ensuite séparé dans des centrifugeuses et après nettoyage (recristallisation), on obtient du sucre cristallin blanc, avec une pureté de 99,95%. Le liquide sortant de la dernière étape de centrifugation est un sirop épais noir, connu sous le nom de mélasse. Le sucre roux est moins purifié et peut être coloré par addition de mélasse. Outre des contaminations organiques, il contient également des ions alcalins, alcalino-terreux ainsi que des anions et possède un tout autre goût que le sucre cristallin blanc. Les contaminations organiques peuvent être éliminées avant la détermination des anions à l aide d une colonne RP (en anglais: Reversed Phase). Contenu à apprendre Analyse de produits alimentaires Contrôle de procédés Contrôle de produits alimentaires contenant beaucoup de sucre, par exemple le miel Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 123

126 Tableau 67 Paramètres Expériences 16a et 16b Colonne Éluant Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Échantillon a) Sucre blanc b) Sucre roux Méthode Exp_16_s.mtw Système Asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 4 MPa Durée d analyse 17 min Boucle d échantillonnage 100 µl Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure, puis ajouter 20 ml d acétone. Préparation des échantillons Dissoudre le sucre dans de l eau ultrapure (dilution 1:10), puis filtrer à travers un filtre de porosité 0,45 µm. 124 Monographie Metrohm

127 Expérience 16a Sucre blanc Chromatogramme 45 Solution standard pour l analyse du sucre blanc Tableau 68 Composés Expérience 16a Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Malate Sulfate Oxalate Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 125

128 Chromatogramme 46 Analyse du sucre blanc (dilution 1:10) TTableau 69 Composés Expérience 16a Sucre blanc Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Malate Sulfate Oxalate Monographie Metrohm

129 Expérience 16b Sucre roux Chromatogramme 47 Solution standard pour l analyse du sucre roux Tableau 70 Composés Expérience 16b Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Phosphate Malate Sulfate Oxalate Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 127

130 Chromatogramme 48 Analyse du sucre roux (dilution 1:10) TTableau 71 Composés Expérience 16b Sucre roux Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Chlorure Pic système Nitrate Phosphate Malate Sulfate Oxalate Remarques Dans le sucre roux, il est possible que des contaminations éluent à des temps de rétention très élevés. Ces derniers pourraient perturber les chromatogrammes suivants, si le temps d analyse était choisi trop court. C est la raison pour laquelle il est recommandé d analyser tout d abord le sucre blanc et ensuite le sucre roux. 128 Monographie Metrohm

131 Expérience 17 Contaminations dans le peroxyde d hydrogène Le peroxyde d hydrogène pur (H 2 O 2 ) fond à 0,4 C et entre en ébullition à 150 C. Il ne peut être fabriqué comme substance pure que sous des conditions de sécurité extrêmes, par cristallisation fractionnée. Le produit chimique industriel H 2 O 2 utilisé est sous forme de solution aqueuse de concentration 35, 50, 60 ou 70%. Ces solutions sont purifiées à l aide d échangeurs d ions ou par distillation. La décomposition fortement exotherme de H 2 O 2 en H 2 O et O 2 n a pas lieu de manière spontanée; elle est cependant catalysée par les métaux lourds. 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O ,2 kj Les métaux lourds peuvent être liés grâce à l addition de stabilisateurs tels que les polyphosphates, l EDTA et le stannate par exemple. La décomposition est ainsi inhibée. La propriété caractéristique de H 2 O 2 est son action oxydante. Le potentiel normal (E 0 ) est de +1,8 V à ph = 0 et de +0,78 V à ph = 14. Le peroxyde d hydrogène fait partie des produits chimiques de base les plus importants et dispose d une production annuelle de 2,7 millions de tonnes. Il est fabriqué industriellement par conversion de l anthrahydroquinone avec l oxygène atmosphérique. Il se forme ainsi l anthraquinone correspondante et H 2 O 2. L anthraquinone est réduite de nouveau à l aide d hydrogène élémentaire sur un catalyseur au palladium pour former l anthrahydroquinone et retourne dans le système. Une grande quantité de H 2 O 2 est utilisée pour blanchir le papier et la cellulose. Dans de nombreux pays, le blanchissage au chlore (avec Cl 2 ou ClO 2 ), a été en partie ou complètement remplacé par d autres procédés car il amène dans le circuit d eau potable un certain nombre de composés chlorés difficilement biodégradables. De ce fait, H 2 O 2 possède une importance tout à fait particulière. D autres domaines d application sont: Élimination du fer et du manganèse dans l eau potable. Dépollution des eaux contenant du cyanure (CN è CNO ), par exemple les eaux usées de l industrie galvanoplastique, avec H 2 O 2 ou H 2 O 2 /H 2 SO 4. La combinaison H 2 O 2 et UV libère des radicaux HO (radicaux hydroxyle), qui sont des milieux oxydants extrêmement forts (E 0 = +2,8 V). Ces derniers sont d une importance particulière pour la purification d eaux usées spéciales. Très intéressant également: le développement d un processus pour la fabrication d oxyde de propylène à partir de propène et H 2 O 2 (catalyseur à couche de titane). Celui-ci remplace le procédé à base de chlorhydrine, qui pollue les eaux. Dans les produits dérivant de H 2 O 2, on compte le perborate de sodium et le percarbonate de sodium comme les plus importants; ils sont utilisés comme agents de blanchissage dans les poudres à laver. H 2 O 2 est utilisé également dans l industrie électronique pour le nettoyage de circuits imprimés et des plaques en silicium. La détermination des contaminations dans H 2 O 2 joue un rôle particulièrement important dans l industrie électronique citée ci-dessus. Même de très faibles quantités (ng/l ou ppt) d ions étrangers peuvent provoquer un mauvais rendement lors de la fabrication de plaques en silicium. Par exemple le phosphate et le nitrate peuvent agir en tant qu erreur n dans le cristal de silicium. À fortes concentrations, le peroxyde d hydrogène attaque la colonne de séparation et perturbe l équilibre du carbonate dans l éluant (voir chromatogramme 50). C est la raison pour laquelle, lors de déterminations de traces, on utilise la technique d élimination de matrice (voir chapitre 4.3.2), qui présente les avantages suivants: premièrement, il est possible d analyser les solutions concentrées sans dilution et deuxièmement, on peut employer de plus grands volumes d échantillon (préconcentration). Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 129

132 Contenu à apprendre Contrôle de procédés Préparation des échantillons Préconcentration d échantillon et élimination de matrice Sélectivité de différentes colonnes Tableau 72 Paramètres Expériences 17a et 17b Colonne Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) Éluant 2.4 mmol/l NaHCO 3 / 2.5 mmol/l Na 2 CO 3 + 2% acétone Conductivité après suppression chimique, environ 16 µs/cm Échantillon Peroxyde d hydrogène 30%, suprapur Méthode exp_17_s.mtw Système asupp.smt Débit 0.5 ml/min Pression 2 MPa Durée d analyse 17 min Colonne de préconcentration Metrosep Anion Introduction de l échantillon 1 ml d échantillon sur la colonne de préconcentration; pour éliminer la matrice, rincer avec 1 ml d eau ultrapure Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 265 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 201,5 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 980 ml d eau ultrapure, puis ajouter 20 ml d acétone. Introduction de l échantillon Rincer le système à fond avec de l eau ultrapure, puis faire passer 1 ml d échantillon sur la colonne de préconcentration et rincer avec 1 ml d eau ultrapure. 130 Monographie Metrohm

133 Chromatogramme 49 Solution standard pour la détermination des anions dans le peroxyde d hydrogène Tableau 73 Composés Expériences 17a et 17b Standard Pic Composés t R [min] Conc. [µg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Acétate Formiate Chlorure Pic système Nitrate Sulfate Oxalate Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 131

134 Expérience 17a Analyse de peroxyde d hydrogène sans élimination de matrice Chromatogramme 50 Analyse du peroxyde d hydrogène (30%) sans élimination de matrice 132 Monographie Metrohm

135 Expérience 17b Analyse de peroxyde d hydrogène avec élimination de matrice Chromatogramme 51 Analyse de peroxyde d hydrogène (30%) avec élimination de matrice Tableau 74 Composés Expérience 17b Pic Composés t R [min] Conc. [µg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 2 Acétate Formiate Chlorure Pic système Nitrate Sulfate Oxalate Remarques Rincer précautionneusement les récipients, seringues et systèmes plusieurs fois. Utiliser des récipients en plastique. Porter à tout prix des lunettes de protection! Les pics 1, 4 et 9 n ont pas été évalués. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 133

136 Expérience 17c Analyse de peroxyde d hydrogène avec élimination de matrice sur une colonne haute performance Tableau 75 Colonne Paramètres Expérience 17c Metrosep A Supp 5 (4 x 250 mm) Éluant 1 mmol/l NaHCO 3 / 3.2 mmol/l Na 2 CO 3 Conductivité après suppression chimique, environ 15 µs/cm Échantillon Peroxyde d hydrogène 30%, suprapur Méthode exp_17c_s.mtw Système asupp5.smt Débit 1.0 ml/min Pression 11 MPa Durée d analyse 30 min Colonne de préconcentration Metrosep Anion Introduction de l échantillon 1 ml d échantillon sur la colonne de préconcentration; rincer avec 1 ml d eau ultrapure pour l élimination de matrice Suppresseur Milieu de régénération: 50 mmol/l H 2 SO 4, eau ultrapure Autostep avec Fill Polarité + Fabrication de l éluant Mettre en solution 339 mg de carbonate de sodium (anhydride) et 84 mg d hydrogénocarbonate de sodium dans 1 L d eau ultrapure. Introduction de l échantillon Rincer le système à fond avec de l eau ultrapure, puis introduire 1 ml d échantillon sur la colonne de préconcentration et rincer avec 1 ml d eau ultrapure. 134 Monographie Metrohm

137 Chromatogramme 52 Analyse de peroxyde d hydrogène (30%) avec élimination de matrice sur la Metrosep A Supp 5 TTableau 76 Composés Expérience 17c Pic Composés t R [min] Conc. [µg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 3 Acétate Formiate Chlorure Pic système Nitrate Sulfate Oxalate Remarques Les pics 1, 2, 5. 9, 10, 11 et 12 n ont pas été évalués. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 135

138 4.4 Expériences pour la détermination de cations Expérience 18 Métaux alcalins et alcalino-terreux dans l eau potable L eau naturelle contient, outre les gaz dissous O 2, N 2 et CO 2, des sels qui proviennent des sols et pierres. Ces sels parviennent dans les eaux souterraines par dissolution. D autres ingrédients de l eau naturelle sont les composés organiques polaires, qui proviennent par exemple des couches d humus du sol. Une contamination par des eaux usées est aussi possible et peut expliquer la présence de différents sels et composés organiques. Les sels les plus importants sont: chlorure, sulfate et les hydrogénocarbonates de sodium, calcium et magnésium. Un paramètre de base de l eau potable est ce que l on appelle la dureté de l eau. Ce paramètre s avère crucial aussi bien pour une utilisation en tant que produit alimentaire que pour un emploi dans des procédés de rinçage ou des applications industrielles. La dureté de l eau comprend la somme des concentrations molaires (mmol/l) des ions calcium et magnésium. La partie de la dureté pouvant être éliminée par ébullition est appelée dureté carbonate (autrefois dénommée également dureté temporaire). La dureté permanente est provoquée par les ions sulfate et chlorure, dont les sels de Ca et Mg ne peuvent pas précipiter lors d une ébullition. Les ions calcium et magnésium forment avec les savons classiques sels de sodium des acides gras des composés difficilement solubles. Ces derniers ne sont tous deux pas efficaces lors du lavage et se déposent comme un «voile gris» sur les textiles. Les poudres de lavage modernes contiennent des sulfates d alkyle, qui ne forment pas de sels de calcium et magnésium insolubles. Ces derniers possèdent également des zéolithes qui jouent le rôle d échangeur ionique et forment une liaison avec les ions Ca 2+ et Mg 2+. La précipitation du CaCO 3 difficilement soluble et du carbonate de magnésium basique est ainsi évitée lors d un chauffage. Selon la réglementation relative à l eau potable, qui est une implémentation des directives de la CE (80/ 778/EWG) pour les eaux potables, on dispose entre autres des valeurs suivantes pour les cations: + NH 4 0,5 mg/l Na mg/l K + 12 mg/l Mg mg/l Ca mg/l Une consommation élevée d ions sodium provoque une forte pression sanguine chez l être humain. Le besoin journalier en Na + de 1 g est de nos jours largement dépassé (3...7 g). Dans toutes les analyses réalisées, il a fallu acidifier les échantillons avec de l acide nitrique (ph 2,5...3,5), car autrement on obtient une reproductibilité insuffisante pour les cations divalents. Contenu à apprendre Analyse du produit alimentaire «Numéro 1» Contrôle des données sur les bouteilles d eaux minérales Pourquoi doit-on acidifier les échantillons? 136 Monographie Metrohm

139 Tableau 77 Paramètres Expérience 18 Colonne Éluant Metrosep C2 (4 x 100 mm) 4 mmol/l acide tartrique / 0.75 mmol/l acide dipicolinique Conductivité environ 590 µs/cm Échantillon Eau du robinet, acidifiée à ph = 2,5...3,5 (+ environ 100 µl 2 mol/l HNO 3 pour 100 ml d échantillon) Eau minérale, acidifiée à ph = 2,5...3,5 (+ environ 100 µl 2 mol/l HNO 3 pour 100 ml d échantillon) Méthode exp_18_c.mtw Système cation.smt Débit 1 ml/min Pression 7 MPa Durée d analyse 12 min Boucle d échantillonnage 10 µl Polarité Fabrication de l éluant Mettre en solution, en chauffant 600 mg d acide tartrique et 125 mg d acide dipicolinique dans 100 ml d eau ultrapure, puis compléter à 1 L avec de l eau ultrapure. Chromatogramme 53 Solution standard pour la détermination de cations dans l eau potable Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 137

140 Tableau 78 Composés Expérience 18 Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Sodium Potassium Calcium Magnésium Chromatogramme 54 Eau du robinet de Herisau, Suisse (dilution 1:10) Tableau 79 Composés Expérience 18 Eau du robinet Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Sodium Calcium Magnésium Monographie Metrohm

141 Chromatogramme 55 Eau minérale (dilution 1:10) Tableau 80 Composés Expérience 18 Eau minérale Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Sodium Potassium Calcium Magnésium Remarques Toutes les solutions doivent être conservées dans des récipients en plastique. Pour obtenir une détermination correcte du sodium, il faut absolument éviter tout contact avec le verre. La valeur ph des solutions standards et échantillons doit se situer entre 2,5 et 3,5. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 139

142 4.4.2 Expérience 19 détermination de métaux de transition Pour séparer les ions métalliques de transition, on ajoute à la phase mobile un agent complexant. Ce dernier réduit la densité de charge et permet une amélioration de la sélectivité de la séparation, qui est relativement basse pour les ions métalliques de transition de même charge. En plus de l équilibre entre résine échangeuse et ion analyte, on obtient grâce à l addition d agents complexants un équilibre supplémentaire: celui entre l ion métallique et l agent complexant. Cet équilibre est influencé cependant par la valeur ph de la solution, lorsque différents degrés de dissociation de l agent complexant sont possibles ou lorsque l ion métallique forme un complexe hydroxy. Les agents complexants fréquemment utilisés sont des acides organiques faibles tels que l acide tartrique, l acide citrique, l acide oxalique, l acide 2,6-pyridinedicarbonique (acide dipicolinique voir chapitre Expérience 6 Variation de la sélectivité à l aide d agents complexants). Le nombre de ligands L autour de l ion métallique central Me appelé nombre de coordination peut varier, par exemple MeL, MeL 2, MeL 3. La charge résultante peut aussi être différente. Suivant la charge de l ion métallique, des ligands et leur nombre, il est possible que des complexes cationiques, neutres ou anioniques soient formés. Selon leur charge, les complexes peuvent alors être séparés en échangeurs cationiques ou en échangeurs anioniques. Théoriquement, il est aussi possible d utiliser des échangeurs contenant aussi bien des groupes échangeurs de cations que des groupes échangeurs d anions. En fonction de l agent complexant deux ou trois agents complexants différents peuvent également être ajoutés à la phase mobile et du ph, il est possible d influencer et d optimiser la séparation. Les effets sont difficiles à prévoir et peuvent même se révéler contraires. Ci-dessous, quelques conseils généraux sont donnés: Différents paramètres (constantes de complexation) influencent la séparation. L addition de solvants organiques, par exemple l acétone, dans les éluants a une influence également sur la séparation. Les ions lipophiles éluent plus rapidement après addition de ces solvants. Dans la chromatographie par échange de cations, l éthylène diamine a fait ses preuves en tant qu agent éluant. Elle se trouve, dans les conditions standards, sous forme de cation doublement protoné. L augmentation de la valeur ph provoque, grâce à une réduction de la charge totale, une diminution des temps de rétention. Quand la concentration en ligand augmente dans la phase mobile, deux phénomènes se produisent: d une part, le déplacement de l équilibre du complexe et d autre part une augmentation de la concentration en ions H + ou Na +. Cela accélère le déplacement du complexe des sites d échange chargés négativement. La performance de séparation est donc réduite. L augmentation de la concentration en ligands a pour effet, d un côté une augmentation du temps de rétention, car le nombre de coordination du complexe est augmenté; de l autre côté, les ligands anioniques libres provoquent l élution du complexe métallique anionique, de telle façon que deux effets opposés vis à vis du temps de rétention existent. La détection du complexe peut soit être effectué par conductivité, soit par photométrie (dérivation postcolonne). Avec la détection conductimétrique, seule la détection sans suppression chimique entre en question, car lors de la réaction du suppresseur, il pourrait se former des hydroxydes insolubles et les seuls ions éluants à disposition sont le carbonate ou l hydroxyde. 140 Monographie Metrohm

143 Pour la détection photométrique, une dérivation post-colonne est nécessaire, pendant laquelle un agent complexant chromophore ajouté prend la place de l agent initial (par exemple acide tartrique, acide oxalique, etc.). Le nouveau complexe formé absorbant en UV/VIS est détecté; cependant le maximum d absorption du ligand libre ne doit pas se trouver à proximité du maximum du complexe. Comme pour la plupart des agents colorés formant des complexes, les maxima d absorption de chaque métal de transition-complexe se trouvent dans des domaines de longueurs d ondes différents, les limites de détermination de chaque métal sont également très différentes. Contenu à apprendre Influence de l éluant sur la sélectivité Complexation des ions métalliques de transition Agent complexant pour la détection photométrique Photométrie Tableau 81 Paramètres Expériences 19a et 19b Colonne IC Colonne cations Nucleosil 5SA (4 x 125 mm) Éluant a) 4 mmol/l acide tartrique, 0.5 mmol/l acide citrique, 3 mmol/l éthylène diamine, 5% acétone Conductivité environ 500 µs/cm b) 3.5 mmol/l acide oxalique, 5% acétone, ph = 4 (environ 120 µl d éthylène diamine) Conductivité environ 350 µs/cm Échantillon Eau du robinet Méthode exp_19_c.mtw Système nucleosil.smt Débit 1.5 ml/min Pression 13 MPa Durée d analyse a) 12 min b) 13 min Boucle d échantillonnage 100 µl Polarité Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 141

144 Expérience 19a Détermination de métaux de transition avec un éluant contenant de l acide tartrique, de l acide citrique, de l éthylène diamine et de l acétone (éluant a) Fabrication de l éluant Mettre en solution 600 mg d acide tartrique et 105 mg d acide citrique dans de l eau ultrapure. Ajouter 200 µl d éthylènediamine et 50 ml d acétone, puis compléter à 1 L avec de l eau ultrapure. Chromatogramme 56 Solution standard 1 pour la détermination des métaux de transition Tableau 82 Composés Expérience 19a Standard 1 Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Nickel Zinc Cobalt Fer (II) Calcium Magnésium Monographie Metrohm

145 Chromatogramme 57 Solution standard 2 pour la détermination des métaux de transition Tableau 83 Composés Expérience 19a Standard 2 Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Plomb Nickel Zinc Cobalt Cadmium Manganèse Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 143

146 Chromatogramme 58 Analyse de l eau du robinet (dilution 1:10) Tableau 84 Composés Expérience 19a Eau du robinet Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Zinc Calcium Magnésium Monographie Metrohm

147 Expérience 19b Détermination des métaux de transition avec un éluant contenant de l acide oxalique, de l éthylène diamine et de l acétone (éluant b) Fabrication de l éluant Mettre en solution 315 mg d acide oxalique dans de l eau ultrapure, ajouter 50 ml d acétone et compléter à 1 L avec de l eau ultrapure. Ajuster à ph = 4 avec de l éthylène diamine (environ 120 µl). Chromatogramme 59 Solution standard pour la détermination des métaux de transition Tableau 85 Composés Expérience 19b Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Fer Manganèse Magnésium Calcium Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 145

148 Chromatogramme 60 Analyse de l eau du robinet (dilution 1:10) TTableau 86 Composés Expérience 19b Eau du robinet Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Magnésium Calcium Remarques Le calcium et le manganèse coéluent lors de l utilisation de l éluant a. Avec l éluant b, le calcium et le manganèse sont séparés, le nickel, le zinc et le cobalt sont fortement complexés et éluent dans le pic frontal 146 Monographie Metrohm

149 4.4.3 Expérience 20 Contaminations présentes dans le gel de silice détermination des ions calcium et magnésium Le gel de silice est produit par exemple par hydrolyse du silicate de sodium après une élimination presque totale de l eau. Il possède la structure suivante: Figure 36 Structure du gel de silice En plus de son utilisation comme milieu d adsorption technique, le gel de silice est aussi bien employé en chromatographie gazeuse qu en HPLC. En chromatographie gazeuse, on utilisait autrefois et aujourd hui encore, mais en plus faible quantité exclusivement des colonnes tassées. Pour ce faire, on dépose une phase liquide, par exemple de l huile de silicone sur un support rugueux, par exemple sur du gel de silice. Le nombre de plateaux théoriques de ces colonnes est très faible, comparativement au nombre de plateaux théoriques des colonnes capillaires utilisés fréquemment de nos jours. Dans le domaine de la chromatographie liquide haute pression (HPLC), le gel de silice est utilisé en tant que phase stationnaire ou en tant que matériau support pour les phases d adsorption, les phases inverses (Reversed Phase, RP), les phase normales et la chromatographie ionique. Pour certaines de ces applications, il est nécessaire de modifier la surface du gel de silice avec des groupes fonctionnels (par exemple avec des groupes octadécyle ou des groupes échangeurs d ions). Également en chromatographie d adsorption, le gel de silice peut être employé comme phase stationnaire. La séparation chromatographique est basée sur des liaisons dipôle-dipôle induit, dipôle-dipôle, par ponts hydrogène et complexations π. La chromatographie par adsorption est utilisée pour la séparation de substances non polaires, qui ne sont pas très solubles dans l eau. Pour la chromatographie RP, les groupes silanol libres du gel de silice sont rendus hydrophobes par liaison chimique avec des chaînes alkyles longues (par exemple groupes octyle ou octadécyle): Figure 37 Réaction du gel de silice avec un chlorosilane (R = C 8 H 17 jusqu à C 18 H 37 ) Lors de la transformation, il reste des groupes silanol qui peuvent adsorber des composés polaires et provoquer un phénomène appelé «peak tailing» (déformation du pic sous forme de traînée). Les groupes restants de silanol peuvent être désactivés avec le triméthyle chlorsilane en anglais: «end capping». En chromatographie à phases normales les restes polaires sont liés chimiquement aux groupes silanol, par exemple: (CH 2 ) n C N ou (CH 2 ) n NH 2 Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 147

150 Avec cette phase stationnaire polaire, on utilise une phase mobile faiblement polaire ou apolaire pour la séparation chromatographique. En chromatographie RP, qui représente environ 75% de toutes les applications HPLC, les polarités sont inversées et une phase stationnaire apolaire est employée avec une phase mobile polaire. Le nom de phase inverse (Reversed Phase) est ainsi expliqué historiquement, car cette méthode n a été développée que plus tard. Dans la chromatographie ionique, l échangeur de cations utilisé pour l analyse d ions alcalins est le gel de silice sur lequel des groupes d acide sulfonique sont fixés. La contamination du gel de silice par des ions métalliques en chromatographie est d une importance particulière, car elle peut provoquer des interactions non spécifiques, et donc des valeurs non nulles dans le blanc. Pour la détermination de ces contaminations, on utilise un échangeur de cations fortement acide: les cations monovalents éluent dans le volume mort et seuls les cations divalents sont séparés. Le Fe(III) doit, avant l analyse être réduit en Fe(II) par l intermédiaire de l acide ascorbique. Contenu à apprendre Contrôle de qualité Expérience supplémentaire: dopage de l extrait avec Fe(III); détermination avec et sans addition d acide ascorbique (vitamine C) Colonnes de séparation HPLC à base de gel de silice Tableau 87 Paramètres Expérience 20 Colonne Éluant IC Colonne cations Nucleosil 5SA (4 x 125 mm) 4 mmol/l acide tartrique, 0.5 mmol/l acide citrique, 3 mmol/l éthylène diamine, 5% acétone Conductivité environ 500 µs/cm Échantillon Gel de silice (solution à 5%) Méthode exp_20_c.mtw Système nucleosil.smt Débit 1.5 ml/min Pression 13 MPa Durée d analyse 12 min Boucle d échantillonnage 100 µl Polarité Fabrication de l éluant Mettre en solution 600 mg d acide tartrique et 105 mg d acide citrique dans de l eau ultrapure. Ajouter 200 µl d éthylène diamine et 50 ml d acétone, puis compléter à 1 L avec de l eau ultrapure. 148 Monographie Metrohm

151 Chromatogramme 61 Solution standard pour la détermination de cations dans le gel de silice Tableau 88 Composés Expérience 20 Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Calcium Magnésium Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 149

152 Chromatogramme 62 Détermination de cations dans le gel de silice Tableau 89 Composés Expérience 20 Gel de silice Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] Fer 8.1 n.d. 1 Calcium Magnésium Monographie Metrohm

153 4.4.4 Expérience 21 Cosmétiques et protection contre la corrosion: détermination d éthanolamines et métaux alcalins Les trois éthanolamines suivantes, dont les noms systématiques sont aminoéthanol, iminodiéthanol et nitrilotriéthanol, sont fabriquées par réaction de l ammoniaque avec de l oxyde d éthylène. Monoéthanolamine Diéthanolamine Triéthanolamine Toutes les trois substances sont utilisées entre autres pour éliminer CO 2 et H 2 S de mélanges de gaz, par exemple pour éliminer le dioxyde de carbone de gaz de synthèse et lors de la synthèse de l ammoniaque ou encore pour l élimination du sulfure d hydrogène en provenance des gaz de raffinerie. À une température plus élevée, CO 2 est libéré de nouveau et l éthanolamine NR 3 retourne dans le processus d absorption. L H 2 S libéré de nouveau à haute température est oxydé en soufre liquide dans des «unités Claus», où il est converti en acide sulfurique en passant par SO 2 et SO 3. La monoéthanolamine (maximum allowable workplace concentration = concentration maximale acceptable au travail = 3 ppm) est utilisée comme ester d acide gras dans les tensio-actifs. La diéthanolamine est présente dans les produits d entretien pour les meubles et les sols, crèmes pour les chaussures et lubrifiants. La triéthanolamine forme avec les acides gras des savons de triéthanolamine, par exemple avec l acide stéarique C 17 H 35 COOH. Ces derniers sont facilement solubles dans l eau et les huiles minérales et sont pour cette raison employés en tant d émulsifiants. Ils peuvent également faire partie de préparations cosmétiques (par exemple dans la mousse à raser). La monoéthanolamine est utilisée dans les centrales atomiques en tant qu inhibiteur de corrosion, car elle maintient une valeur ph légèrement alcaline et joue le rôle de tampon pour les excès d ions H +. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 151

154 Pour leur détermination par chromatographie ionique les éthanolamines sont protonées par l addition d acide et peuvent être déterminées comme dérivés de l ammonium. Contenu à apprendre Détermination de cations inorganiques et organiques Modification de la sélectivité par addition d agents complexants Détermination d amines par chromatographie ionique Tableau 90 Paramètres Expérience 21 Colonne Metrosep C2 (4 x 100 mm) Éluant a) 4 mmol/l acide tartrique / 0.75 mmol/l acide dipicolinique Conductivité environ 600 µs/cm b) 4 mmol/l acide tartrique / 0.5 mmol/l acide dipicolinique Conductivité environ 570 µs/cm Échantillon Standard (éthanolamine, triéthanolamine + cations standards) Méthode exp_21_c.mtw Système cation.smt Débit 1 ml/min Pression 6 MPa Durée d analyse a) 13 min b) 14 min Boucle d échantillonnage 10 µl Polarité Fabrication de l éluant a) Mettre en solution, en chauffant, 600 mg d acide tartrique et 125 mg d acide dipicolinique dans 100 ml d eau ultrapure, puis compléter à 1 L avec de l eau ultrapure. b) Mettre en solution, en chauffant, 600 mg d acide tartrique et 84 mg d acide dipicolinique dans 100 ml d eau ultrapure, puis compléter à 1 L avec de l eau ultrapure. 152 Monographie Metrohm

155 Chromatogramme 63 Solution standard 1 Éluant a Tableau 91 Composés Expérience 21 Standard 1 (Éluant a) Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Sodium Ammonium Monoéthanolamine Potassium Triéthanolamine Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 153

156 Chromatogramme 64 Solution standard 2 Éluant a Tableau 92 Composés Expérience 21 Standard 2 (Éluant a) Pic Composés t R [min] Conc. Nbre Surface [mg/l] plateaux [µs/cm*s] 1 Sodium Ammonium Monoéthanolamine Potassium Calcium + Triéthanolamine Magnésium Monographie Metrohm

157 Chromatogramme 65 Solution standard 2 Éluant b Tableau 93 Composés Expérience 21 Standard 2 (Éluant b) Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Sodium Ammonium Monoéthanolamine Potassium Triéthanolamine Calcium Magnésium Remarques Lorsque l éluant a est utilisé, le calcium et la monoéthanolamine coéluent. Toutes les solutions doivent être conservées dans des récipients en plastique. Pour obtenir une détermination correcte du sodium, il faut à tout prix éviter tout contact avec le verre. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 155

158 4.4.5 Expérience 22 Métaux alcalins et alcalino-terreux dans le vin Les matières minérales contenues dans le jus de fruit se trouvent surtout sous la forme de phosphate de calcium, magnésium et potassium. Les concentrations de ces composés varient entre 3 et 5 g/l. La teneur en matière minérale du vin, aussi appelée «cendre», est inférieure à celle du jus de fruit, car une partie des matières minérales est consommée lors de l échange de matière avec la levure. De plus, la teneur en matière minérale est réduite par la séparation de sels tartrates. Ainsi, les vins ne contiennent qu environ 1,8 à 2,5 g/l de «cendre». Les composés cationiques importants sont donnés sous forme d oxydes et sont K 2 O (environ 40%), MgO (environ 6%), CaO (environ 4%) et Na 2 O (environ 2%). (voir chapitre Expérience 12 Acides organiques dans le vin) Contenu à apprendre Analyse relative aux produits alimentaires Analyse des procédés contrôle de la précipitation de l acide tartrique Tableau 94 Paramètres Expérience 22 Colonne Éluant Échantillon Méthode Système Débit Pression Durée d analyse Boucle d échantillonnage 10 µl Polarité Metrosep C2 (4 x 100 mm) 4 mmol/l acide tartrique / 0.75 mmol/l acide dipicolinique Conductivité environ 600 µs/cm Vin blanc (Fechy, Suisse), vin rouge (Pinot Noir, Suisse) exp_22_c.mtw cation.smt 1 ml/min 6 MPa 20 min Fabrication de l éluant Mettre en solution, en chauffant 600 mg d acide tartrique et 125 mg d acide dipicolinique dans 100 ml d eau ultrapure, puis compléter à 1L avec de l eau ultrapure. Préparation des échantillons Filtrer et diluer les échantillons de vin (1:10). 156 Monographie Metrohm

159 Chromatogramme 66 Solution standard pour la détermination de cations dans le vin Tableau 95 Composés Expérience 22 Standard Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Sodium Potassium Calcium Magnésium Remarques Toutes les solutions doivent être conservées dans des récipients en plastique. Pour obtenir une détermination correcte du sodium, il faut à tout prix éviter tout contact avec le verre. La valeur ph des solutions standards et des échantillons doit se situer entre 2,5 et 3,5. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 157

160 Chromatogramme 67 Détermination de cations dans le vin blanc (dilution 1:10) Tableau 96 Composés Expérience 22 Vin blanc Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Sodium Potassium Calcium Magnésium Remarques Les pics 2, 3, 4 et 7 n ont pas été évalués. 158 Monographie Metrohm

161 Chromatogramme 68 Détermination de cations dans le vin rouge (dilution 1:10) Tableau 97 Composés Expérience 22 Vin rouge Pic Composés t R [min] Conc. [mg/l] Nbre plateaux Surface [µs/cm*s] 1 Sodium Potassium Calcium Magnésium Remarques Les pics 2, 3, 4, 5, 7 et 9 n ont pas été évalués. Introduction à la pratique de la chromatographie ionique 159

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164 162 Monographie Metrohm