5. CHROMATOGRAPHIE EN PHASE GAZEUSE

5. CHROMATOGRAPHIE EN PHASE GAZEUSE OBJECTIFS Comprendre les principes de la chromatographie en phase gazeuse Connaître les applications principales et les particularités de la chromatographie en phase gazeuse 5.1 Introduction Cette méthode chromatographique permet de séparer des mélanges gazeux complexes par suite continue d équilibres s établissant entre une phase mobile gazeuse et une phase stationnaire appropriée. Cette méthode ne s adresse pas seulement aux molécules se trouvant naturellement à l état de gaz, mais à tout composé susceptible d être volatilisé par l élévation de la température. La nécessité de maintenir les molécules à l état gazeux implique donc que toute l opération chromatographie se réalise à une température compatible avec cet état sans provoquer leur destruction. Un nombre de molécules peuvent ainsi être séparées directement ou après transformation lorsqu elles sont thermolabiles ou peu volatiles. Il n y a en CG que des interactions du soluté avec la phase stationnaire (alors qu en CL il y a des interactions avec la phase stationnaire et avec la phase mobile), ce qui rend la méthode moins complexe mais en diminue quelque peu les possibilités. Lorsque la phase stationnaire est liquide, il s agit d une chromatographie de partage (chromatographie gaz liquide). Lorsque la phase stationnaire est solide, il s agit d une chromatographie d adsorption (chromatographie gaz solide). En résumé : Les molécules doivent être gazeuses ou volatilisables - utile pour 20 % des composés La température est très importante - éviter la destruction des molécules - molécules à séparer doivent être volatilisées (composés non volatils peuvent être dérivés) La phase mobile ne participe pas à l'échange - Chromatographie gaz-solide équivalent à la chromatographie d adsorption ou d exclusion de taille - Chromatographie gaz-liquide chromatographie de partage 80

5.2 Chromatographie gaz-liquide Une colonne remplie de ce type est constituée de grains de solides inactifs sur lesquels a été réparti un liquide non volatil constituant la phase stationnaire. Pour obtenir une bonne efficacité, il est nécessaire que la surface du support solide soit grande (1 à 10 m 2 /g) ce qui dépend de sa granulométrie et de sa porosité éventuelle (1 à 5 µm). Les supports poreux sont constitués par des grains à large pores uniformes et préparés à partir de terre de diatomées, broyées, pressées et calcinées. Les groupements silanols ou siloxanes de ces supports doivent être désactivés sous peine de provoquer des phénomènes d adsorption du soluté se traduisant par des pics traînants. Les supports poreux artificiels sont du type billes de silices. Les supports non poreux ou peu poreux sont constitués par des billes de verre, de la poudre de Téflon ou du carbone graphitisé. La désactivation d un support à base de silice peut se faire, par exemple, par silanisation. On remplace les groupements Si-OH responsables des fortes adsorptions (liaisons hydrogènes) par des groupements Si-CH 3, apolaires. La phase stationnaire liquide forme à la surface du support une couche de moins de 1 mm d épaisseur. Généralement, on utilise 0.5 à 1 ml de solvant pour 1 g de support solide. Ces solvants sont en fait des liquides de viscosité élevée. Ils sont tout d abord solubilisés dans un solvant volatil qui est ensuite facilement éliminé. Leur tension de vapeur doit être très faible donc de bonne stabilité thermique (120 à 350 C) et ils doivent présenter une inertie chimique vis-à-vis du soluté. Les phases stationnaires liquides sont classées généralement selon leur polarité puisque celles-ci doivent agir en tant que solvants vis-à-vis des composés à séparer (voir aussi extraction). On prendra donc une phase dont la polarité est proche de celle des molécules considérées, car si sa polarité est très différente la phase ne pourra pas retenir les substances qui ne feront que traverser la colonne. Par exemple : un mélange d alcools se séparera sur des phases stationnaires riches en groupements hydroxyles alors qu un mélange d hydrocarbures saturés ne pourra l être que sur une colonne apolaire. Le choix de la phase stationnaire dépend donc essentiellement de la nature chimique des molécules à séparer. Cette phase doit se comporter comme un bon solvant vis-à-vis de ces molécules pour en assurer leur fixation mais cette fixation ne doit pas être irréversible pour que la migration chromatographique puisse être assurée. Quelques solvants et leurs propriétés sont données ci-dessous. 81

Pour obtenir une colonne performante, il faut donc que l équilibre soit obtenu rapidement entre la phase gazeuse et la phase stationnaire. Autrement dit, il faut que le film de phase stationnaire sur le support soit fin, stable et uniforme et présente ainsi une grande surface de contact avec le gaz vecteur : le troisième terme C de l équation de Van Deemter montre en effet que la résistance au transfert de masse en phase liquide est fonction du carré de l épaisseur de film. Ce terme doit être le plus petit possible. En résumé : Phase stationnaire - supports poreux inactifs - terres de diatomées - silices - carbone graphitisé Phase liquide imprégnée sur le support (< 10 µm) - non volatile - visqueuse - stabilité thermique - chimiquement inerte - k' et α favorables - adsorption ou greffage débit doit être réglé avec précision 82

5.3 Chromatographie gaz-solide La chromatographie gaz-solide se fait par adsorption sur une phase stationnaire qui est formée de petites particules solides de granulométrie très homogène. Les principales phases stationnaires utilisées sont : les tamis moléculaires constituées de cristaux d alumino silicate déshydratés se différenciant par le diamètre de leurs pores et les polymères poreux, composés formés par la polymérisation de molécules de vinyl-éthylbenzène en présence de molécules de divinyl benzène. Ils se présentent sous forme de perles de porosité bien déterminée. Quelques phases solides sont données ci-dessous : Soustrait Type Solutés Solides Alumine Séparation de méthanol, éthanol, éthylène, propane, propylène Poropak Polystyrène lié avec divinyl benzène Composés polaires - H 2 O, acides, amines, alcool. Utile comme support solide de liquides. Tamis moléculaires Utilisés pour la séparation des gaz H 2, Ne, O 2, Ar, N 2,CH 4, CO. Retient les gaz polaires - CO 2, H 2 S. Gel de silice Séparation de H 2,de l air, CH 4, C 2 H 6, CO 2, éthylène, propane, propylène, CO 2 à une température plus élevée. Ces matériaux permettent la séparation des composés légers et volatils de faible masse moléculaire qui traverseraient trop rapidement la colonne à phase liquide. C est ainsi que des gaz tels que N 2, NO, NO 2, CO, O 2 peuvent être séparés. Ces colonnes se prêtent aussi bien à la séparation de molécules polaires comme H 2 O, méthanol, acétone et de gaz tels que CO 2, CH 4, propane, butane. En résumé : Phase stationnaire - polymères organiques poreux - grande surface spécifique - pores de 0.4 à 1.3 mm (tamis moléculaires) - séparation de composés légers et volatils de faible masse molaire (ils traversent trop rapidement la colonne en phase liquide) 5.4 Différences entre les chromatographies gaz-solide et gaz-liquide Les forces intermoléculaires en jeu dans les phénomènes de solubilité et d adsorption sont évidemment les mêmes. La différence provient de la nature du champ d interaction moléculaire de part et d autre de l interface. En effet, des matériaux inorganiques au sein desquels la cohésion est assurée par des forces électriques ou de dispersion considérables possèdent une énergie superficielle élevée. Ainsi, l enthalpie d adsorption de l heptane normal sur le graphite est de 3.1 kj, alors que l enthalpie de dissolution de ce même composé dans la squalane (squalène perhydroxylé) n est que de 1.9 kj. Aussi, un adsorbant énergique, surtout si sa surface spécifique est élevée, pourra retenir et séparer 83

des solutés à une température supérieure à celle à laquelle ceci serait possible par chromatographie gaz-liquide. Si pour l analyse des «gaz permanents» (constituants principaux de l air) cette situation présente un avantage, en revanche pour l analyse des composés peu volatils, elle pourrait avoir l inconvénient de conduire à des températures de travail trop élevées donc préjudiciable à leur stabilité. Il est toutefois possible d éviter, dans une certaine mesure, cette difficulté. En effet, d une part on peut remplacer les adsorbants inorganiques par des adsorbants organiques (polymères) dont les énergies d adsorption sont plus faibles. D autre part, il est aussi possible de jouer sur la surface spécifique. En résumé, selon qu il y a opportunité à exalter ou à abaisser la volatilité du soluté, il est possible de jouer à la fois sur l énergie de la surface adsorbante et sur l étendue de celle-ci. Pour le choix de la température de travail, la chromatographie gaz-solide est plus souple que la gaz-liquide. 5.5 Paramètres influençant les séparations 5.5.1 Température La température, en modifiant la tension de vapeur des composés, donc leur volatilité, intervient sur le partage des molécules entre les deux phases : toute élévation de T entraîne une augmentation de la concentration du soluté dans la phase gazeuse donc diminue la valeur du coefficient de partage : (CA) S Kp = (CA) M ce qui entraîne une diminution de V R et les substances sortiront plus rapidement : V R = V M + K p V S On démontre qu une augmentation d environ 30 C diminue V R d un facteur 2 pour une substance donné. C est la raison pour laquelle la température de la colonne doit faire l objet d une régulation soignée si l on veut obtenir des résultats reproductibles et des analyses précises. Cette variation de V R avec la température se répercute nécessairement sur la largeur des pics chromatographiques : w= 4V N R La diminution de V R engendre une diminution proportionnelle de w. D autre part, le logarithme du volume de rétention d un soluté est une fonction linéaire de l inverse de la température absolue de la colonne : K p = exp RT G ' VR Kp = VS 84

V S est une constante pour une colonne donnée. Alors il est possible de reporter le volume de rétention net ( ' V R ) à l unité de volume de la phase stationnaire (V S ) : on obtient un volume de rétention spécifique (V g ). Donc : ' R V ln V S G = ln V g = ln K = H T S H RT = + RT = RT +cte où H est l enthalpie standard de dissolution ou d adsorption. Un diagramme (ln V g = f(1/t) aidera à choisir la meilleure température pour la séparation d un ensemble de solutés. On remarque que très souvent, on a intérêt à abaisser la température pour améliorer la séparation d une série d homologues chimiques. Remarque : En fait, ces constations ne sont valables que pour certaines limites, ne seraitce que pour des raisons de durée d analyse. D autre part, la température ayant aussi une influence sur la cinétique des diffusions du soluté traversant la colonne, des essais préliminaires doivent permettre d établir la courbe H = f(t) (de Wet et Pretorius, du même type que celle de Van Deemter) pour, ainsi, définir la zone des températures pour laquelle la colonne est la plus efficace. Programmation de la température Souvent, on trouve dans un mélange complexe des espèces à bas et haut point d ébullition. Si la température est réglée de manière à obtenir une bonne résolution pour le composé à bas PE, il faudra un temps relativement long pour éluer celui à haut PE. Au contraire, si les conditions sont fixées pour le composé à haut PE, les espèces à bas PE apparaîtront pour ainsi dire spontanément et leur séparation sera mauvaise. On propose, alors, une programmation de la température régulièrement tout au long du processus de la séparation. On remarquera que la variation de V g est une fonction de la longueur d une chaîne «grasse» pour un groupement fonctionnel donné : il peut doubler ou tripler d un composé à son homologue immédiatement supérieur (pics de plus en plus espacés). Très souvent cette variation est conforme à la relation : ln V an b g = + (en chromatographie isotherme ou isobare) où n est le nombre d atomes de carbone du soluté, a et b des constantes (dépendant de la colonne donnée). L avantage de la programmation de température est de transformer cet espacement en écartements relativement réguliers. 85

5.5.2 Débit du gaz vecteur 5.5.3 Résumé Colonne - cœur de la séparation - séparation f (nature de la phase mobile) - L : N Débit du gaz vecteur - loi de Van Deemter (3 H, 3 u ) Température - modifie la tension de vapeur des solutés (donc leur volatilité) - T, k', t R - Pour T = 20 C, t R 50%) - isocratique et mode gradient - loi de De Wet et Pretorius: h = A+ B+ C.T T 5.6 Appareillage Il comprend schématiquement 5 parties : une source de gaz (1), une chambre d injection (2), un four (3) dans lequel se trouve placé une colonne (4), un détecteur couplé à un enregistreur (5). 86

5.6.1 Source de gaz La source de gaz (gaz porteur ou vecteur) constitue la phase mobile. Conservé sous pression dans des «bonbonnes» métalliques, le gaz passe dans des détendeurs permettant d obtenir des pressions allant de 0.2 à 4 bars (0.2-4 atmosphères ou 2 x10 4-4.10 5 pascals). Comme on le sait, la qualité de la séparation dépend du débit de ce gaz selon l équation de van Deemter. Des régulateurs permettent de choisir et de contrôler la vitesse de passage désirée de cette phase mobile. Elle variera selon les dimensions de la colonne ( 6 mm : 50-70 ml min 1 ; 3 mm : 25-30 ml min 1 ). Les principaux gaz utilisés sont : N 2, Ar, He, H 2. Il doivent répondre à un certain nombre de critères : très grande pureté ; inertie vis-à-vis des substances à chromatographier ; très faible viscosité ; compatibles avec le système de détection. 5.6.2 La chambre d'injection La chambre d injection possède une double fonction : provoquer la volatilisation instantanée de l échantillon introduit et assurer le mélange homogène de la vapeur ainsi formée et du gaz vecteur. L échantillon à analyser, préalablement mis en solution dans un solvant très volatil, est injecté à l aide d une microseringue (1 à 10 µl) à travers une membrane d élastomère d obturation. La chambre a un volume et une géométrie bien étudiée et sa température est maintenue généralement de 20 à 30 C au-dessus de celle de la colonne. L injection dans une colonne de chromatographie doit répondre aux deux impératifs suivants : - quantité suffisamment petite pour ne pas surcharger la colonne mais assez grande pour fournir une réponse au détecteur, - durée suffisamment brève pour ne pas élargir les pics. 87

Les systèmes d injection principaux pour colonnes capillaires sont de deux types : le diviseur d entrée («splitter» en anglais) et l injection sans division (technique splitless). Dans le premier système le gaz vecteur qui pénètre dans l injecteur se divise en deux flux (1 % pénètre dans la colonne et 99 % s échappe par la fuite dans l atmosphère), d où : quantité injectable faible, balayage rapide de l injecteur. Dans le second système les composants de l échantillon sont volatilisés dans l injecteur puis recondensés au début de la colonne refroidie (par effet de solvant) sous forme d une bande étroite puis, dans un deuxième temps un contre-balayage par le gaz vecteur permet de purger l injecteur ; d où : technique de choix lorsqu on ne dispose que d une faible masse d échantillon (produits rares) ou très dilués dans un solvant ou dans un gaz (Head-Space). La technique de l Espace de Tête (Head Space) est parfois mise en oeuvre pour chromatographier des substances très volatiles (essences, alcools) se trouvant dans des milieux liquides complexes. Le principe de base est très simple : on introduit une petite quantité de ces solutions dans des petits flacons (piluliers) fermés par une capsule élastomère ; on porte ensuite à une température choisie grâce à une enceinte isotherme, puis on prélève à l aide d une seringue à gaz au travers de l élastomère les volatiles. 88

En résumé : volatilisation instantanée de l échantillon introduit sous forme liquide dans un solvant mélange homogène de la phase vapeur et du gaz vecteur volume injecté: - 1 10 µl (liquides) - 100 µl quelques ml (gaz) - 10-3 µl (capillaires) Température - 20-30 C > T colonne - 50 C > T eb du composant le moins volatile 5.6.3 Four Le four est destiné à recevoir les colonnes et à les porter à la température désirée. Pour que celle-ci soit parfaitement homogène, le four possède un volume important et son atmosphère est brassée par un système de ventilation. Très fréquemment on lui adjoint un dispositif de programmation qui, pendant une chromatographie, permet d augmenter progressivement la température en fonction du temps, améliorant parfois très efficacement les séparations. On maintient la T colonne point d'ébullition de l'échantillon, i.e. un peu plus chaud à 20 C de plus que T eb S il y a une grande variation de T eb, la programmation est nécessaire La résolution est optimale pour des faibles températures pour lesquelles le temps d élution augmente 89

5.6.4 Colonne Les colonnes classiques sont le plus souvent en : Cu, Al, plastique, acier inox ou en verre. L acier porté à de fortes températures peut parfois catalyser la dégradation de certaines substances. Leur longueur varie de 1 à 8 mètres ( 4.2 ou 1 mm). Quoique les colonnes de forme droite donnent de meilleurs résultats, elles sont le plus souvent de forme spiralée afin de n occuper qu un volume restreint dans le four. A côté de ces dimensions habituelles, il existe des colonnes plus larges pour la chromatographie analytique préparative, ou des colonnes extrêmement fines comme les colonnes capillaires, dites de «Golay» dont l emploi est réservé aux séparations très poussées (en verre : 20 à 150 m ; 0 à 0.5 mm). La caractéristique importante n est pas le petit diamètre du tube, mais le fait que celui-ci n est pas occupé par un remplissage et que la longueur est très grande par rapport au diamètre. Remplies à 1-8 m diamètre: 2 à 6 mm en métal ou en verre enroulées sur elles-mêmes diatomées, silices, carbone graphitisé séparation selon mécanisme de partage Capillaires Les colonnes capillaires offrent les moyens de séparation les plus efficaces ou les plus rapides. Dans ces colonnes, la phase stationnaire est donc répartie sur la paroi interne du tube ou encore sur une fine couche poreuse déposée sur cette paroi, cette imprégnation étant réalisée par évaporation d une solution. L expression mathématique de la HEPT donnée par l équation de Van Deemter ne comporte donc pas de terme A (puisqu il n y a 90

pas de remplissage!) Les valeurs de H sont donc plus petites que pour une colonne remplie. 10 à 100 m diamètre intérieur: 100 à 500 µm film de 30 µm plusieurs avantages - perméabilité élevée (100 X plus grande qu'avec des colonnes remplies) - efficacité élevée - (coefficient d anisotropie = 0) théorie (1950), pratique (1970) - fragile - introduction de l'échantillon difficile - raccordement difficile (colonne et détecteur) - capillaires bloqués - préparation de colonne pas reproductible conceptions différentes - classique (WCOT) wall coated open tubular parois, intérieure greffée avec un motif organique - SCOT ou PLOT support coated open tubular porous layer open tubular, améliorations pour mieux retenir la phase stationnaire Megabores capillaires diamètre intérieur de 530 µm film 1 µm débit de gaz plus élevé : 15 ml/min simplicité d'utilisation 5.6.5 Détecteurs Les détecteurs sont classés en deux catégories : détecteurs dont la réponse est proportionnelle à la concentration de l échantillon dans le gaz vecteur (catégorie C), détecteurs dont la réponse est proportionnelle au débit d échantillon (exprimé par exemple en g/s) passant dans le détecteur (catégorie M). 91

Placés à l extrémité des colonnes, ils doivent déceler la présence des substances dans le gaz vecteur au fur et à mesure de leur élution. Ces substances modifient une propriété physique ou parfois chimique de ce gaz et ces variations sont transformées par le détecteur en signaux électriques qui sont amplifiés et transcrits sous forme graphique par l enregistreur. Les tracés obtenus correspondent à la mesure de variations de concentrations : ce sont donc des tracés différentiels. En l absence de toute substance il ne doit pas y avoir de signal et une ligne continue ou «ligne de base» est tracée. Le choix des différents détecteurs se fait en fonction de leur sensibilité et de leur spécificité. Ils doivent de plus présenter un faible temps de réponse, une bonne reproductibilité ainsi qu un domaine de linéarité étendu ; le signal doit être proportionnel aux quantités de substances présentes. Il est également nécessaire que ces détecteurs puissent être portés à des températures aussi élevées que les colonnes pour éviter qu à leur contact les vapeurs se condensent. La table suivante présente les principaux détecteurs utilisés. Détecteurs Conductibilité thermique (catharomètre) Ionisation de flamme Type * Gaz vecteur Linéarité Quantité minimale détectable (approximatives) Sélectivité Applications principales C H 2,He 10 5 1 à 10 ng non sélectif tous composés M He, N 2 10 7 20 à 100 pg non sélectif composés organiques Capture d électrons C N 2 ou Ar+10%CH 4 10 4 0.1 pg sélectivité variable surtout composés halogénés Thermoionique M N 2 10 4 1 pg P 10 pg N 10 3 à 10 5 / hydrocarbures composés contenant N ou P Photométrie de flamme M N 2, He 10 3 à 10 4 pour P ; 10 3 pour S mode linéarisé 10 pg P 1 ng S 10 3 à 10 5 / hydrocarbures composés contenant S ou P Electrochimique conductivité électrolytique M N 2, He 10 2-10 4 0.1 ng 10 5 / hydrocarbures composés contenant N, S, Cl Ionisation à He He 10 4 10 pg non sélectif gaz permanents Plasma HF He, Ar 10 3 10 à 1 000 pg non sélectif gaz permanents Plasma à microonde He, Ar 10 3-10 4 10 à 500 pg sélectif tous composés Infrarouge C H 2, He, N 2 10 ng à 1 µg sélectif tous composés Spectrométrie de masse M He 10 3 <1 pg spécifique tous composés Photoionisation C He, N 2 10 7 1 pg non sélectif tous composés ionisables *C détecteur dont la réponse est proportionnelle à la concentration, M détecteur dont la réponse est proportionnelle au débit massique. 92

On distingue aussi les détecteurs non spécifiques et spécifiques. Les non-spécifiques sont ceux qui sont capables de déceler un très grand nombre de molécules de nature diverse (par exemple : catharomètre, ionisation de flamme). Les détecteurs spécifiques présentent une certaine spécificité et une plus grande sensibilité vis-à-vis d atomes ou groupements fonctionnels (par exemple : thermoionique, capture d électrons). La quantité minimale détectable n est pas dépourvue d ambiguïté car elle dépend aussi de la colonne chromatographique! En effet, pour une même quantité injectée, le signal issu du détecteur (largeur et hauteur du pic) sera fonction du diamètre, de la longueur, de l efficacité de la colonne, du débit de gaz, etc. Qualités recherchées sensibles, universels, sélectifs stable (reproductible) domaine de linéarité fiable / facile à utiliser fonctionnement 400 C temps de réponse rapide Détecteur à ionisation à flamme Le courant gazeux issu de la colonne arrive dans une flamme d hydrogène (brûlant dans l air ou l oxygène) placée entre deux électrodes auxquelles est imposée une certaine polarisation. Le volume de l échantillon arrivant dans la flamme est compris entre 5-10 µl (à raison de 30-40 ml min 1 ). Lorsque les molécules organiques sont présentes dans le gaz, la température de la flamme voisine de 2100 C est suffisante pour brûler la plupart d entre elles. Le courant d ions, proportionnel à leur nombre, est recueilli par les électrodes et transmis après amplification à l enregistreur. Normalement, quand le gaz vecteur (généralement N 2 ) est seul, peu d ions sont formés et le courant dit, courant de base, est peu important C est un détecteur non spécifique, car il peut déceler pratiquement tous les composés combustibles, c est-à-dire les composés organiques. Il est cependant insensible aux molécules minérales ayant un potentiel d ionisation élevé : H 2 O, CO, CO 2, N 2, ce qui présente un avantage lorsqu on veut analyser des solutions aqueuses ou des atmosphères. Sa sensibilité est approximativement trois fois supérieure à celle du catharomètre 9 ( 10 g ; 100 ppb ). Elle varie cependant selon les molécules : elle est maximale pour les molécules possédant des atomes de carbone liés entre eux ou à des atomes d hydrogène. La sensibilité diminue avec les groupements halogènes, aminés, hydroxylés ; elle est encore plus faible pour les groupements carboxyle ou carbonyle (l acide ou l aldéhyde formique ne donne pas de réponse!). Sa linéarité est bonne jusqu à 10 6 g/l. Son inconvénient majeur est d être destructif à moins de faire une dérivation avant le détecteur pour la récupération des substances, si nécessaire. 93

En résumé : plus utilisé éluat mélangé avec H 2 et l'air flamme 2000 C composés organiques sont ionisés (+ e-) récupérés sur des électrodes I (i.e. courant) = f (masse) détecteur non-sélectif atomes de carbone méthyléniques très sensible (~ 1 ng) grand domaine de linéarité ~ 10 7 insensible à H 2 O, CO 2, SO 2, NO x Détecteur à conductibilité thermique (C.T.) C est le détecteur qui fut le plus répandu au début de la chromatographie en phase gazeuse. Il est maintenant supplanté par les détecteurs plus sensibles et plus spécifiques. Toutefois, sa simplicité, son faible coût, son principe de détection universel constituent encore des avantages à ne pas négliger. A la sortie de la colonne, le flux gazeux traverse le catharomètre qui est constitué par une cavité creusée dans un bloc métallique où se trouve un filament thermo-sensible (Pt, W) de résistance R et auquel on peut imposer une intensité choisie. Cette résistance constitue l une des branches d un pont de Wheatstone. Lorsqu une intensité, I, le traverse, ce filament, par effet de Joule, dégage une quantité de chaleur dont une partie est transmise aux parois du catharomètre en fonction de la conductibilité thermique du gaz : Q = RI 2 Si ces parois sont maintenues à une température constante par un système de régulation (thermostatisation), il s établit un équilibre entre le fil et la paroi. Dans ces conditions, la résistance du fil prend alors une valeur : 94

Rt= Ro(1+ αt) R t = résistance du filament à la température t R o = résistance spécifique du filament α = coefficient de résistance spécifique (variable selon la nature du filament) Le pont de Wheatstone est équilibré à partir de cette valeur et aucune tension n apparaît entre les bornes A et B. La présence dans le gaz vecteur des molécules éluées entraîne une diminution de la conductibilité thermique ( C ) : C = C g - C m C g = conductibilité thermique du gaz vecteur C m = conductibilité thermique du mélange gaz-substance La température (t) du filament est de ce fait modifiée et par la suite, la résistance ( R ) l est également (elle augmente lorsque t augmente) ce qui entraîne un déséquilibre du pont de Wheatstone. La différence de potentiel, après amplification, est transcrite sur l enregistreur. L étude théorique montre que cette différence de potentiel ( E) est fonction de la variation relative de la conductibilité thermique : C E = f C g C étant proportionnel à la concentration des substances lorsque celles-ci sont relativement faibles. On peut donc établir une relation entre E transcript sur l enregistreur et les quantités de substances traversant le catharomètre. L importance de la réponse dépendra 95

du rapport C/ C g. Pour que ce rapport soit élevé il faut (la conductibilité thermique des diverses substances étant faible et quelque soit leur nature à peu prés identique) que C g soit le plus grand possible (He, H 2 ). Sa sensibilité est moyenne (1 µ g 1 L ) et non spécifique puisque la conductibilité thermique des différentes substances est très proche. Il donne des réponses équivalentes pour des concentrations égales et quelque soit la nature des composés à chromatographier. Contrairement à d autres détecteurs, il ne répond pas seulement aux molécules organiques, mais également à des gaz tels que les oxydes d azote, de soufre et de carbone ainsi que l eau qui peut aussi être dosée lorsqu elle se trouve en faible concentration. Conductibilité thermique de quelques gaz à 100 C Gaz Conductibilité thermique cal. (cm sec C) Conductibilité thermique relative au Hélium = 100 Gaz porteurs Argon 5.2 12.5 Hélium 41.6 100.0 Hydrogène 53.4 128.0 Nitrogène 7.5 18.0 Solutés Ethane 7.3 17.5 n-butane 5.6 13.5 i-butane 5.8 14.0 Benzène 4.1 9.9 Acétone 4.0 9.6 Ethanol 5.3 12.7 Chloroforme 2.5 6.0 Ethyl acétate 4.1 9.9 L hélium et l hydrogène ont les valeurs les plus fortes, mais on préfère He à H 2 qui risque de s enflammer ou de réagir avec les molécules du soluté. En résumé : À I cte., T = f (conductibilité thermique du gaz) Résistance du filament = f (T) C.T. (H 2, He) 6-10 X > que celles des solutés Linéarité ( 10 5 ) Sensibilité moyenne ~1 µg Réponse générale (+H 2 O, CO 2, SO 2, NO x ) Détecteur thermoionique Sa construction est à peu près identique au détecteur par ionisation. Il fonctionne aussi sur la variation de la conductibilité électrique d une flamme d hydrogène ; mais dans ce cas cette flamme est placée en contact avec une pastille de sels de métaux alcalins. En présence du 96

seul gaz vecteur, ce sel, par volatilisation, émet des ions qui sont collectés comme précédemment par les électrodes. Le courant ainsi recueilli est donc le courant de base. Lorsque des composés, halogénés ou azotés, sont présents dans l éluat, il semble - sans que l on puisse actuellement encore bien expliquer le phénomène - que le nombre de ions émis grâce à la proximité du sel alcalin soit multiplié par dix ou par cent augmentant ainsi la sensibilité du détecteur d autant. (Sels alcalins : bromure ou chlorure de césium, de rubidium,... placés à même le détecteur ou à l extrémité de la flamme). La sensibilité dépend donc du sel employé. Ce procédé est utilisé actuellement pour doser des traces d organo phosphorés (insecticides), de médicament à base de molécules azotées (barbituriques). Certaines réalisations sont constituées d un verre ou d une céramique contenant le composé alcalin comme du silicate de rubidium. Ce verre est alors chauffé au moyen d une résistance électrique. ionisation à flamme + un seul alcalin sélectif pour N et P (pesticides, etc.) Photométrie de flamme Enfin, dans le même ordre d idée, on utilise aussi des détecteurs par photométrie de flamme (spécifique pour dérivés phosphorés ou soufrés). On ne recueille donc ici non pas les ions formés mais bien les photons émis par les molécules excitées. La sensibilité de ces détecteurs se situe entre 10 9 et 10 12 g. Sa sélectivité en fait une des détecteurs les plus spécifiques. Le gaz issu de la colonne est brûlé dans une flamme qui doit être très réductrice (pour éviter au maximum l ionisation). Par exemple, les composés phosphorés fournissent, dans la flamme, des espèces HPO qui émettent par chimiluminescence un rayonnement à 526 nm. Par contre, pour les composés soufrés, le mécanisme est très différent et on aboutit à la formation de l espèce S 2, émettant à 394 nm (un changement de filtre permet de passer du mode P au mode S). S S 2 - émission à 394 nm P HPO - émission à 510 nm et 526 nm Sensibilité ~pg Linéarité - P: 10 4-10 5 - S: 10 3 Détecteurs spectroscopiques quantité d'information Exemples: - la spectrométrie de masse (MS) - l'infra-rouge à transformée de Fourier (FTIR) 97