CHROMATOGRAPHIE

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Appareillage

La phase stationnaire (solide poreux greffé ou non) peut être soit maintenue en couche mince grâce à un liant (d'épaisseur de 100 à 200 μm) sur un support solide (plaque ou baguette) en verre, métal ou polymère organique (cf. Chromatographie planaire), soit placée sans liant à l'intérieur d'une colonne obturée à ses deux extrémités mais perméable à la phase mobile. À part les colonnes en verre, ouvertes (type Tswett : fig. 1) utilisées uniquement à des fins préparatives dans certains laboratoires, deux types de colonnes existent en chromatographie moderne : les colonnes à garnissage pour lesquelles la phase fixe est soit un solide inerte (C.L. d'exclusion), soit un adsorbant pur (C.G.S., C.L.S., C.FSbC.S., C.FSC.S.), soit un liquide (à la température de travail ; C.G.L.), déposé sur un support granulaire poreux dont il représente de 5 à 20 p. 100 en poids, et les colonnes à tube ouvert (colonnes capillaires) pour lesquelles la phase fixe est un film d'épaisseur régulière (allant de 0,1 μm à 5 μm) recouvrant la paroi interne.

Plus récemment, les garnissages (particules poreuses ou monolithes poreux) aussi bien que les parois des tubes capillaires (de silice), qui auparavant étaient enduits, ont été traités chimiquement pour ancrer la phase stationnaire sur le support (C.G.L., C.L.L., C.FSbC.L., C.FSC.L, C.L. échangeuse d'ions, C.L. d'affinité). L'avantage de ces derniers supports est que la phase stationnaire n'est en général plus entraînable par la phase mobile. Cette phase stationnaire greffée est alors assimilée à un liquide, bien qu'elle n'en soit pas réellement un (c'est en fait une couche monomoléculaire ou polymoléculaire fluide, plus ou moins orientée par rapport à la surface solide sur laquelle elle est greffée, ce qui n'est donc pas un liquide à proprement parler, mais n'est pas non plus un solide).

Tout appareil de chromatographie est conçu suivant le même principe (fig. 4). On trouve dans l'ordre :

Hydrocarbures aromatiques

Dessin : Hydrocarbures aromatiques

Chromatographie d'un mélange d'hydrocarbures aromatiques, colonne Supelco, N2, 75 °C (d'après « International Chromatographic supplies », catalogue 16, p. 2, Packard Instruments). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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– Une source de phase mobile (soit un tube de gaz comprimé, soit un ou plusieurs flacons contenant les constituants liquides de la phase mobile reliés à une ou plusieurs pompes à haute pression).

– Un régulateur de débit permettant de délivrer un débit constant dans la colonne [L'écoulement est laminaire. Cependant des développements récents remettent la chromatographie à flux turbulent au goût du jour (cf. mécanique des fluides - Écoulement des fluides visqueux)]. Dans quelques applications, le débit est programmé dans le temps.

– Un injecteur thermostaté ou non : partie de l'appareil où tout l'échantillon à analyser doit être transféré instantanément, à partir d'une seringue, dans la phase mobile sans en arrêter le flux.

– La colonne chromatographique proprement dite placée à l'intérieur d'une enceinte thermorégulée.

– Le détecteur (thermorégulé en chromatographie gazeuse).

– Un intégrateur (ou une station de données) relié au détecteur et délivrant le chromatogramme.

– Un régulateur de pression dans le seul cas de l'utilisation de fluide subcritique et supercritique.

– Un débitmètre, le cas échéant, pour contrôler le débit délivré.

Dans pratiquement toutes les chromatographies, l'écoulement de la phase mobile est gouverné par la différence de pression existant entre la tête et la sortie de colonne. En chromatographie gazeuse, la perte de charge maximale à laquelle les expériences sont couramment menées est de l'ordre de 0,5 MPa (mégapascal ; 5 atmosphères) alors qu'en chromatographie liquide, cette perte de charge maximale est de l'ordre de 40 MPa (400 atmosphères). Cela lui a donné originellement son nom moderne : la chromatographie liquide à haute pression (caractérisée par le sigle anglais : H.P.L.C.). Compte tenu du considérable potentiel de séparation de cette technique, on parle de nos jours de chromatographie liquide à haute performance.

En chromatographie planaire, l'écoulement se produit par capillarité (cf. Chromatographie planaire).

Il existe une autre possibilité. L'application d'une différence de potentiel (allant jusqu'à 30 000 volts) entre la source de phase mobile liquide, et le flacon de réception placé après le détecteur permet sa percolation dans la colonne par des phases mobiles conductrices (dont le flux est contrôlé par la valeur de la tension appliquée). Cela conduit à d'autres techniques séparatives (cf. infra, Électrochromatographie) : l'électrophorèse capillaire (sigle anglais : C.Z.E.) et la chromatographie micellaire électrocinétique (sigle anglais : M.C.E.K.), qui utilisent des colonnes capillaires ouvertes, ainsi que l'électrochromatographie capillaire (sigle anglais : C.E.C.), qui utilise des colonnes capillaires remplies. Pour la C.E.C., les mécanismes de rétention des solutés sont voisins, si ce n'est identiques, de ceux de la chromatographie liquide (cf. infra, Principes de séparation). Toutes conditions expérimentales étant égales par ailleurs, le pouvoir de séparation obtenu alors est supérieur à celui qui est obtenu par chromatographie liquide capillaire classique et augure de développements futurs importants. Cela nécessite l'utilisation d'un autre appareillage, dont la fiabilité expérimentale a été mise au point récemment.

Appareillage de chromatographie gazeuse utilisé pour la C.G.S.-C.G.L.-chromatographie capillaire à fluide supercritique

Dans la technique la plus ancienne, les colonnes analytiques remplies sont des tubes en métal (acier le plus souvent) ou en verre de quelques millimètres de diamètre (de 2 à 6 mm) pour une longueur de 0,5 à 5 m, enroulés en spires, afin de limiter l'encombrement. La capacité d'une telle colonne, c'est-à-dire la quantité de substance qu'elle peut traiter, avec un bon facteur de séparation, est de l'ordre de quelques dizaines de microlitres au maximum.

De nos jours, ces colonnes sont remplacées par des colonnes analytiques capillaires (tubes dont le diamètre intérieur est très petit en comparaison de leur longueur), le plus souvent en silice, longues de 5 à 50 m, et d'un diamètre intérieur de 0,1 à 0,5 mm. La phase fixe est alors un film de liquide qui recouvre la paroi. Avec des tubes un peu plus larges (1 mm), le liquide est déposé sur des grains très fins, eux-mêmes fixés sur les parois. Selon leur diamètre intérieur, l'efficacité respective de ces colonnes est comprise entre 10 000 et 1 000 plateaux théoriques par mètre. Elles travaillent rapidement, conduisant à la détection d'une centaine de composants dans un arôme naturel ou un parfum. Cependant la quantité de liquide que l'on peut injecter est très faible (une fraction de microlitre) et la dilution, à la sortie, très grande. Cela implique la nécessité de disposer d'injecteurs permettant de ne transférer que quelques nanolitres de soluté ainsi que d'une électronique de détection très rapide.

Le très grand succès de la chromatographie en phase gazeuse provient aussi du fait qu'il existe de nombreux procédés de détection de la variation de composition d'u [...]

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Partage en phase liquide

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Phase aqueuse

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Hydrocarbures aromatiques

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  • : docteur ès sciences, professeur à l'École supérieure de physique et de chimie industrielles, Paris, ingénieur, École supérieure de physique et de chimie industrielles
  • : professeur de chimie organique à l'université d'Aix-Marseille-II
  • : professeur des Universités, université de Paris-XI, I.U.T. d.Orsay

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Pour citer l’article

Robert ROSSET, Louis SAVIDAN, Alain TCHAPLA, « CHROMATOGRAPHIE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/chromatographie/