CHROMATOGRAPHIE IONIQU THEORIE 1- INTRODUCTION Le terme «chromatographie» désigne une multiplicité de procédés de séparation physicochimiques caractérisés par la répartition du composant en séparation entre une phase stationnaire et une phase mobile. Les différentes méthodes chromatographiques se classent selon l état physique de ces deux phases : Phase mobile Gazeuse Phase stationnaire Liquide GLC Solide GSC Chromato. en phase gazeuse Liquide LLC LSC ( HPLC) Chromato. en phase liquide G : Gaz L : Liquide S : Solide C : Chromatographie La chromatographie en phase liquide, depuis l introduction de la chromatographie en phase liquide de haute performance (HPLC) à la fin des années 60, est devenue une des méthodes analytiques instrumentales les plus importantes et universelles. On distingue les méthodes suivantes, selon la polarité des phases stationnaires et mobiles : Polarité de la phase stationnaire ionique 4 1 Chromatographie en phase normale Chromatographie en phase inverse polaire 1 3 Chromatographie ionique par paires d ions non polaire 3 4 Chromatographie ionique non polaire polaire ionique Polarité de la phase mobile La chromatographie ionique, présentée pour la première fois en 1975, est devenue en peu de temps une technique d'analyse indépendante qui comprend aujourd'hui toutes les méthodes HPLC de saisie d'ions inorganiques ou organiques. La technique prépondérante consiste à combiner une colonne échangeuse d'ions avec un capteur de conductivité. On en connaît deux variantes : - La technique avec suppresseur chimique ( parfois appelée technique à deux colonnes) supprime la conductivité de fond à la fois par voie chimique (avec le suppresseur) et par voie électronique. - La technique à une seule colonne (il faut comprendre sans suppresseur chimique), au contraire, réalise une très faible conductivité de fond, directement supprimable électroniquement en EB-RD-MB 7
utilisant des éluants à base de sels d acides organiques liés à des échangeurs d ions de faible capacité. - LES ELEMENTS DE LA CHROMATOGRAPHIE IONIQUE injecteur colonne de séparation IC détecteur pompe 697 IC rejets ou éluant enregistreur Schéma de principe du système de chromatographie ionique intégrateur Intégrateur ou enregistreur sont remplacés maintenant par un logiciel qui pilote le système chromatographique, qui permet l acquisition des chromatogrammes et l exploitation de ceux-ci. -1 Phases mobiles La phase mobile est un électrolyte. - Phases stationnaires a) Copolymères de synthèse b) Silices greffées Le gel de silice présente des fonctions silanols : Si OH On met à profit la réactivité de ces groupes fonctionnels pour fixer des molécules organiques par des liaisons covalentes ; on fixe ainsi des chaînes alkylphényles substituées par des groupes sulfonés ou des groupes ammonium quaternaire : [Silice R NR 3 + ]OH -. c) Résines pelliculaires Un polymère (latex) est déposé sous forme de minuscules sphères (0,1 à 0, m de diamètre) sur des microsphères de silice, de verre ou de polystyrène de 5 à 50 m de diamètre : le latex forme ainsi sur chaque microsphère de verre ou de polystyrène, une pellicule de 1 à m d épaisseur. Le latex résulte de la copolymérisation de deux monomères insaturés tels que par exemple le buta-1,3-diène et l acide maléïque : EB-RD-MB 8
COOH COOH Les doubles liaisons restantes permettent de durcir le matériau par réticulation. -3 Détecteur à conductivité La détection des ions se fait par mesure de conductivité ; lorsqu un ion est élué, il remplace l ion de même signe de l éluant et la conductivité augmente (pic +) ou diminue (pic -). La sensibilité de la détermination dépend de la différence entre la conductivité molaire limite par mol de charge de l ion sous analyse et celle de l ion (dont la charge est de même signe) de l éluant ; il faut donc que l ion éluant est une faible conductivité. Lorsque ce n est pas le cas, on utilise un suppresseur chimique; le suppresseur est situé à la sortie de la colonne avant le système de mesure de conductivité. Le principe du suppresseur chimique dépend de l éluant utilisé ; avec un éluant hydrogénocarbonate de sodium ou carbonate de sodium, les ions Na + (et plus généralement tous les cations de l échantillon accompagnant les anions) sont remplacés dans le suppresseur chimique par des ions H + (régénérant : solution d acide sulfurique) et H + + HCO 3 - CO + H O ou H + + CO 3 - CO + H O ; on obtient de l acide carbonique faiblement dissocié qui donne une très faible conductivité dite «résiduelle». La suppression chimique a pour conséquence : Une augmentation de la «réponse des analytes» soit une meilleure sensibilité ; il y a globalement augmentation du rapport signal/bruit. Une élimination des contre-ions de l échantillon ; ces contre-ions donneraient en début de chromatogramme (ils ne sont pas retenus par la phase stationnaire) un large pic positif ; avec la suppression chimique, on observe en début de chromatogramme un petit pic négatif dû à l eau générée par la suppression des contre-ions ; le pic est négatif car la conductivité de l eau est inférieure à la conductivité résiduelle de «l éluant suppressé». La surface du pic de l ion analysé (déterminée par intégration) est proportionnelle à la quantité d ions présents dans l échantillon. 3- PRINCIPE DE LA SEPARATION Les ions présents dans l échantillon sont entraînés par la phase mobile liquide ionique (éluant) et séparés par effet de leurs interactions avec les sites ioniques de la phase stationnaire (colonne échangeuse d ions). Lorsqu un échantillon contenant un ion A - est entrainé par l éluant, une suite d échanges réversibles se produit : R + (résine) + A - R + A - + EB-RD-MB 9
L ion A - progresse dans la colonne selon le mécanisme suivant : A - A - A - A - Dans le cas d un mélange, chaque anion subit cette succession d équilibres : la vitesse de progression de l anion dépend de K A E. Plus cette constante est grande, plus l anion est retenu par la résine, plus sa vitesse de progression le long de la colonne est petite et plus le temps de rétention est grand. A x E K A ré sin e solution A K E E x A K ré sin e solution E K A et K E sont les coefficients de distribution (de partage ionique ici) de chacune des espèces entre phase stationnaire et phase mobile. K A mol de A par gramme de phase stationnaire mol de A par millilitre de phase mobile 4- LES PARAMETRES DE LA SEPARATION Efficacité Capacité Sélectivité EB-RD-MB 10
Résolution : Pour traduire la plus ou moins bonne séparation entre deux pics, on utilise le facteur de résolution R : distance séparant les sommets des pics R = moyenne des largeurs à la base des pics = t t R 1 R1 si R < 1 ; la résolution est mauvaise si 1 < R < 1, 5 ; la résolution est acceptable si 1,4 < R < 1,6 ; la résolution est optimale si R > 1,6 ; la résolution est inutilement trop bonne, le temps d analyse est rallongé. Efficacité d une colonne de chromatographie : L efficacité est une mesure de la dispersion à travers le système chromatographique ; elle dépend entièrement de la qualité de la fabrication de la colonne. Une efficacité élevée se traduit par des pics très fins. Elle est exprimée pour chaque soluté, dans des conditions opératoires données, par le nombre de plateaux théoriques N th : t N th = R soit N = 16 t R t R th ou N th = 5,54 EB-RD-MB 11
: largeur du pic à la base, défini comme la distance entre les points d intersection des tangentes inflexionnelles avec la ligne de base ( = 4 ) 1/ = : largeur du pic à mi-hauteur ( 5,54, 36 ) Efficacité réelle : Lorsqu on veut comparer les performances de différentes colonnes vis-à-vis d un même composé, on remplace dans les expressions précédentes le temps de rétention par le temps réduit t R = t R - t M. Les expressions deviennent : ' t R eff soit N = 16 t ' R eff N = Remarque : HEPT = L N th ' t R ou N eff = 5,54 avec HEPT : hauteur équivalente à un plateau théorique et L : longueur de la colonne Sélectivité : Elle est liée à la thermodynamique de l échange : cf principe de la séparation ci-dessus. C est le rapport des temps réduits pour deux constituants (1) et () ' = t R ' avec 1 t R1 Les facteurs qui modifient la sélectivité sont : La phase stationnaire : nature et taille des particules, nature des groupes fonctionnels. La phase mobile : nature, concentration, ph La température. Capacité : La capacité est directement lié au nombre de sites échangeurs d ions disponibles dans la phase stationnaire ; si la capacité est faible, les composés sont peu retenus ; par contre une capacité élevée permet d optimiser les séparations mais les temps d analyses peuvent devenir très longs et les pics deviennent aussi plus larges. EB-RD-MB 1