Les différents types de colonnes utilisées en CPG

Les différents types de colonnes utilisées en CPG 

La colonne est le cœur du chromatographe et c’est d’elle que dépend principalement le succès des séparations. On distingue deux types de colonnes :
• Les colonnes remplies
• Les colonnes capillaires à films (épais ou mince) .

Les colonnes remplies 

Les colonnes remplies (en anglais micropacked columns) représentent la première technologie de phases stationnaires développées, utilisées, et étudiées en chromatographie en phase gazeuse [1]. La Figure I.2 illustre l’agencement d’une colonne remplie de phase stationnaire particulaire. L’obtention de performances séparatives stables et reproductibles dépend de la qualité du remplissage et de l’immobilisation des particules.

Ces colonnes remplies fonctionnent selon un mode de chromatographie dit « gaz-liquide »: le remplissage est constitué de particules d’un support inactif (particules) imprégnées de phase stationnaire liquide ou gomme. Cette imprégnation est obtenue en immergeant ces grains dans une solution de phase stationnaire dissoute dans un solvant, puis en évaporant le solvant. On distingue les supports siliceux poreux d’origine naturelle à base de diatomite (type Chromosorb), les supports siliceux artificiels (type Sphérosil) et les supports non siliceux (type carbone graphitisé).

La perméabilité étant proportionnelle au carré du diamètre des particules, l’utilisation de particules plus fines conduit vite à de faibles valeurs de perméabilité et donc à de fortes pertes de charge.

Le coût des colonnes remplies est réduit et l’appareillage nécessaire, simple, peut même être rudimentaire. Ce type de colonne présente une grande surface spécifique comparée aux colonnes non-remplies, permettant une capacité d’injection plus élevée. Par ailleurs, ces colonnes permettent de bonnes efficacités en réduisant les dimensions des particules [2]. La possibilité d’utiliser de petites particules permet un transfert de masse rapide au travers de la phase stationnaire. Certaines séparations nécessitent l’emploi de phases stationnaires très spécifiques : gaz permanents, isomères insaturés d’hydrocarbures légers…, et des méthodes normalisées (ASTM E260, NF ISO 17494…), font encore appel aux colonnes remplies.

Cependant, la mise en œuvre laborieuse du remplissage doublée de la difficulté à obtenir des frittés de bonne qualité et reproductibles limitent les performances de ce type de colonne. En effet, la présence de frittés peut également engendrer des contaminations. Une autre limitation de cette méthode est due à la forte pression nécessaire en tête de colonne. Il est donc difficile de remplir de longues colonnes ou d’utiliser des particules de faibles dimensions sans un dispositif adapté à de très hautes pressions [3]. De plus, leur efficacité est plus faible que celle des colonnes capillaires et leur adsorption résiduelle est très importante.

Les colonnes ouvertes

Appelées en anglais « Open tubular columns » ou « colonnes ouvertes » en français, les colonnes capillaires ouvertes regroupent toutes les colonnes ne contenant pas de remplissage granulé. Proposées comme une alternative aux colonnes remplies, les colonnes capillaires non-remplies se présentent sous la forme d’un tube capillaire ouvert de faible diamètre dont la paroi interne a été tapissée par une phase stationnaire, greffée ou adsorbée, d’épaisseur variable. On trouve plusieurs appellations comme WCOT pour « Wall Coated Open tubular », SCOT pour «Support Coated Open Tubular » ou PLOT pour « Porous Layer Open Tubular ». L’épaisseur du film de phase stationnaire et le diamètre de colonne jouent un rôle considérable sur la rétention, l’efficacité, la vitesse d’analyse et la stabilité thermique de la colonne. Les colonnes capillaires ouvertes offrent des solutions de séparation parmi les plus efficaces et les plus rapides. On distingue la chromatographie gaz liquide dans le cas où la phase stationnaire est obtenue par évaporation d’une solution, de la chromatographie gazsolide quand le tube est recouvert d’une fine couche d’adsorbant. Plusieurs méthodes ont été décrites pour attacher une phase stationnaire aux parois des tubes et chacune présente un grand choix de fonctionnalités disponibles ce qui permet de couvrir une large classe de produits à analyser.

Les films de phases stationnaires

Les films de phases stationnaires (Figure I.3) peuvent être des liquides, des polymères réticulés ou même des cristaux liquides, répartis en films minces, sur la paroi interne d’un tube capillaire. Ainsi, ce genre de phase stationnaire doit satisfaire à plusieurs conditions:

• Inertie chimique : la phase stationnaire ne doit pas réagir chimiquement avec les substances analysées. Dans certains cas l’interaction phase stationnaire-solutés se traduit par une disparition des pics, un dédoublement ou par l’apparition épaulements.
• Stabilité thermique : une bonne stabilité de la phase stationnaire s’impose dans la mesure où les séparations rapides sont souvent réalisées en gradient de température. Les signes de décomposition « bleeding » en anglais et ressuage en français, se traduisent par une dérive de la ligne de base, d’autant plus prononcée que l’on se rapproche de la température limite d’emploi de la colonne.

Dans une colonne ouverte, le terme appelé β, représente le rapport des volumes de la phase gazeuse et la phase liquide en fonction du diamètre de la colonne et de l’épaisseur du film .

Pour améliorer l’immobilisation de la phase stationnaire à la surface interne du capillaire, des fines particules adhérentes peuvent y être déposées, ce qui donne les colonnes SCOT pour Support Coated Open Tubular. Cependant, ce type de colonne est de moins en moins utilisé étant donné l’amélioration des techniques de dépôt et de greffage des phases stationnaires directement sur la paroi.

Méthodes de dépôt du film de phase stationnaire 

La formation du film de phase stationnaire sur la paroi interne du tube capillaire est obtenue par évaporation d’une solution. L’épaisseur de ce film, comprise entre quelques dixièmes de µm et quelques µm, doit être constante tout le long de la colonne. Ceci peut être obtenu, soit par la méthode statique, soit par la méthode dynamique. La méthode dynamique simple consiste à introduire, par aspiration ou par refoulement, une solution relativement diluée de phase stationnaire sur une petite partie de la longueur du tube capillaire. En progressant, un film de solution se dépose à la surface. Il suffit ensuite d’évaporer le solvant pour obtenir un film de phase stationnaire. Pour éviter des irrégularités de remplissage (apparition de vagues, voire des gouttelettes), d’autres variantes ont été développées telle que l’utilisation d’un index de mercure [4]. La méthode statique, quant à elle, consiste à remplir complètement la future colonne d’une solution assez diluée de phase stationnaire dans un solvant volatil, puis à obturer une extrémité de la colonne et à faire le vide à l’autre extrémité [5]. A la surface du minuscule ménisque de solution, le solvant s’évapore sans bouillir sous la pression réduite et laisse sur la paroi un film régulier de phase stationnaire.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1: Etude bibliographique
1. Introduction
2. Les différents types de colonnes utilisées en CPG
2.1. Les colonnes remplies
2.2. Les colonnes ouvertes
2.2.1. Les films de phases stationnaires
2.2.2. Méthodes de dépôt du film de phase stationnaire
2.2.3. Epaisseur du film et incidences sur les propriétés de séparation
2.3. Colonnes PLOT
3. Miniaturisation en CPG
3.1. Intérêt de la miniaturisation
3.2. Méthode de fabrication des dispositifs miniaturisés
3.2.1. Méthodes conventionnelles
3.2.2. Méthode non conventionnelle : La lithographie molle
3.3. Phases stationnaires utilisées pour les MEMS en CPG
3.4. Programmation de température en chromatographie en phase gazeuse
3.5. Techniques de chauffage pour la chromatographie gazeuse sur puce
4. Les phases stationnaires monolithiques
4.1. Les monolithes inorganiques
4.2. Synthèse et caractérisation des monolithes de silice
4.3. Généralités sur le procédé sol-gel
4.4. Procédé sol-gel dédié à la chromatographie
4.4.1. Hydrolyse
4.4.2. Condensation et gélification
4.4.3. Restructuration de la microporosité
4.4.4. Elimination du porogène
5. Influence des différents paramètres sur la morphologie du monolithe de silice
5.1. Nature et quantité du précurseur
5.2. Nature et quantité de porogène
5.3. Influence de la masse moléculaire du porogène
5.4. Nature du catalyseur et pH initial du milieu
5.5. Nature du catalyseur
6. Conclusion
7. Références bibliographiques
Chapitre 2: Matériels et méthodes
1. Introduction :
2. Procédé de sythèse sol-gel
2.1. Prélèvement des réactifs
2.2. Préparation des mélanges de polymérisation
2.3. Activation des parois du capillaire
2.4. Remplissage des tubes capillaires
2.5. Etape de gélification vieillissement
2.6. Echange de solvant (rinçage)
2.7. Séchage et calcination
3. Procédé de dépôt de film sur puces
3.1. Système de remplissage des puces
4. Appareillage
4.1. Test des puces de PDMS
4.2. Echantillons de gaz
4.3. Système d’acquisition
4.4. Test des colonnes et puces de monolithes
5. Caractérisation morphologique des gels
5.1. Porosité et surface spécifique-Adsorption d’azote
5.2. Porosimétrie par intrusion de mercure
5.3. Microscopie électronique à balayage
5.4. Analyse thermique
6. Rappel des définitions des grandeurs chromatographiques mesurées
6.1. Nombre de plateaux
6.2. Hauteur équivalente à un plateau théorique
6.3. Courbes de Van Deemter
6.4. Facteur de rétention
6.5. Sélectivité
6.6. Résolution
6.7. Asymétrie d’un pic chromatographique
6.8. Ecart-type
7 Références bibliographiques
Chapitre 3: Expériences préliminaires
1.Contexte
2. Comparaison de phases stationnaires originales adaptées aux colonnes CPG sur puces
3. Conclusion
Chapitre 4: Etude physico-chimique et morphologique des monolithes de silice
1. Introduction
2. Conditions de départ
2.1. Répétabilité de la synthèse
2.2. Effet de la température
2.3. Effet du temps de mélange
2.4. Effet de la réduction du ratio molaire TMOS/PEG
3. Limitations et perspectives d’optimisation
4. Elaboration du nouveau procédé
5. Légères variations autour du point zéro
5.1. Analyse thermique des échantillons
6. Optimisation du mélange réactionnel
6.1. Détermination des limites du domaine d’obtention de monolithes
6.2. Etude fine à l’intérieur du domaine d’obtention de monolithes
7. Effet de la concentration de l’hydroxyde d’ammonium
8. Conclusion
9 Références bibliographiques
Chapitre 5: Synthèse dans les tubes capillaires
1. Introduction
2. Essais préliminaires
2.1. Synthèse des monolithes (point de départ
1.1. Réduction des inhomogénéités longitudinales
1.2. Réduction des inhomogénéités radiales
1.2.1. Activation
1.2.2. Influence de l’activation des parois du capillaire (75µm
1.3. Conclusion
2. Modification du procédé d’Ishizuka au point zéro
3. Optimisation de la synthèse des monolithes dans les tubes capillaires
3.1. Synthèse 23 (diminution de 40% de la quantité du PEG
3.2. Synthèse 24 (diminution de 60% de la quantité du PEG
3.3. Synthèse 25 (-60% de la quantité du PEG et -10% la quantité de l’acide
3.4. Synthèse 26 (-60% de la quantité du PEG et -20% la quantité de l’acide
3.5. Synthèse 27 (-70% de la quantité du PEG et -10% la quantité de l’acide
3.6. Synthèse 28 (-70% de la quantité du PEG et -20% la quantité de l’acide
3.7. Synthèse 29 (-75% de la quantité du PEG et -20% la quantité de l’acide
3.8. Amélioration de la perméabilité
4. Conclusion
5. Références bibliographiques
Chapitre 6: Transfert de la synthèse dans des puces
1. Introduction
2. Géométrie du microsystème
3. Mise en œuvre et adaptation du procédé de synthèse
3.1. La pulvérisation cathodique
3.2. Synthèse des monolithes
3.2.1. Activation de la couche de silice
3.2.2. Transposition de la synthèse 28
3.3. Amélioration du procédé
3.3.1. Elimination du porogène
3.3.2. Augmentation de la masse molaire du porogène
4. Conclusion
5. Références bibliographiques
Chapitre 7: utilisation de routine des monolithes de silice en CPG : mythe ou réalité
1. Contexte
2. Applications
2.1. Séparations rapides d’hydrocarbures linéaires sur puce
2.2. Séparation d’hydrocarbures cycliques sur puce
2.3. Séparation de dérivés halogénés légers sur puce
2.4. Séparation d’hydrocarbures linéaires sur tube capillaire
3. Fidélité
Conclusion générale

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