Brevet FR2552231A1 — publié le 19850322

La présente invention concerne d'une façon générale un procédé d'injection à froid en colonne d'un échantillon liquide dans une colonne capillaire de chromatographie en phase gazeuse et plus particulièrement un procédé qui peut être employé avec une dimension d'échantillon relativement grande sans provoquer la distorsion ou le dédoublement du pic observésdans les conditions classiques d'injection en colonne. Les deux objectifs principaux d'une technique d'échantillonnage dans la chromatographie en phase gazeuse en capillaire sont de permettre une identité de composition entre l'échantillon injecté dans la colonne et l'échantillon avant l'injection, et de ne pas provoquer ou de ne provoquer qu'un minimum d'effet d'élargissement de la bande indé15 pendant de la colonne, de façon à maintenir le pouvoir de séparation total de la colonne Le premier objectif est atteint aisément par la technique d'injection en colonne, car l'injection en colonne non vaporisante ("à froid"), contrairement aux techniques d'injection avec vaporisation classiques (avec séparation, sans séparation ou directe), peut apporter un échantillon dans une colonne capillaire de chromatographie en phase gazeuse en ne provoquant pas d'effet important sur la composition Les effets de séparation, d'absorption et thermiques observés 25 habituellement avec les injecteurs à vaporisation sont pratiquement absents et on obtient une justesse et une précision quantitativesexcellentes Ainsi, l'injection en colonne a été appliquée avec succès à de nombreux problèmes d'échantillonnage difficiles En ce qui concerne le second des objectifs indiqués ci-dessus, toutefois, l'injection d'un échantillon liquide dans une colonne capillaire a provoqué un élargissement non admissible des bandes du fait de l'étalement dynamique de l'échantillon 5 liquide par le gaz vecteur sur une longueur importante de l'entrée de la colonne Comme l'a décrit K Grob Jr, dans J.'Chromatogr, Vol 213 ( 1981) page 3, l'injection dans la colonne d'un échantillon de grande dimension peut avoir pour résultat un dédoublement du pic chromatographique dû 10 au fait que la colonne est inondée par l'échantillon liquide Non seulement cette inondation par l'échantillon liquide diminue le pouvoir de séparation disponible total de la colonne et sa durée de vie, mais encore elle ne permet guère l'emploi pour une information chromatographique 15 qualitative et quantitative L'importance de cette inondation le long de la colonne dépend de la taille de l'échantillon, du diamètre de la colonne, de la vitesse du courant de gaz vecteur, des propriétés physico-chimiques du solvant et de la température de la colonne (qui influe 20 sur la viscosité du gaz vecteur et sur la tension superficielle de l'échantillon liquide) En général, une dimension d'échantillon de l'ordre de 1 à 2 microlitres peut par exemple inonder une longueur de colonne de plus de cm Une dimension d'échantillon plus grande allant jusqu'à 10 microlitres peut facilement inonder plusieurs mètres de l'entrée de la colonne Ainsi, cet étalement initial de la zone de l'échantillon liquide est une des contraintes les plus sérieuses de l'emploi de la méthode, qui a pour résultat non seulement un profil de pic non reproductible qui dépend de la répartition des molécules du soluté à l'intérieur de la zone d'échantillon inondée, mais aussi un important élargissement du pic qui est déterminé par la largeur de bande de l'échantillon initial. Une des tentatives pour diminuer le phénomène d'inondation par l'échantillon liquide décrit par K Grob Jr et coll dans J Chromatogr, Vol 244 (-1982) page 185, a été de retirer la phase stationnaire sur les premiers mètres de la colonne pour empêcher le piégeage par ré5 tention des molécules de soluté réparties non uniformément Après l'injection, on chauffe la zone d'entrée de la colonne inondée pour vaporiser les molécules de l'échantillon qui doivent être emportées en aval vers la zone de la colonne o le liquide stationnaire piège les molécules 10 de soluté dans une zone d'échantillon initiale étroite. Cette technique améliore la forme du pic par rapport à celle qui est obtenue avec un injecteur en colonne classique Cependant, cette technique n'a qu'un succès limité dans les applications prati ues du fait des désavantages ou inconvénients 15 suivants Premièrement, il est difficile en pratique d'enlever une phase stationnaire d'une entrée de colonne. En particulier, les phases non polaires et les phases liées chimiquement ne peuvent être retirées complètement. L'emploi d'une précolonne non revêtue peut permettre des 20 caractéristiques de surface satisfaisantes pour les besoins de l'emploi de la technique de l'intervalle de rétention, mais les difficultés et contraintes pratiques dans le raccordement de la colonne doivent être prises en considération Deuxièmement, la technique de l'intervalle 25 de rétention ne résoud pas le problème fondamental de la limitation de la dimension de l'échantillon La quantité d'échantillon injectée est à son tour limitée par la lonyueur de l'intervalle de rétention Une dimension d'échantillon de 3 microlitres peut nécessiter 2 à 3 mètres d'intervalle de rétention si l'on veut obtenir une forme de pic satisfaisante Troisièmement, les parois de colonne nues sans revêtement pour l'intervalle de rétention peuvent provoquer des phénomènes indésirables d'adsorption. La désac ivation de la précolonne peut ne pas donner de résultats satisfaisants du fait de la possibilité de rétention de molécules de soluté sur la phase ou les phases désactivées, ce qui annule l'effet de l'intervalle de rétention Quatrièmement, la technique exige que la tempé5 rature du four de colonne soit abaissée au-dessous du point d'ébullition du solvant avant chaque injection. Ceci pourrait demander plus de temps qu'une séparation chromatographique La vitesse d'analyse subit ainsi des contraintes du fait de la technique d'injection. Un objet de la présente invention est donc de fournir un procédé pour concentrer le soluté lors de l'introduction de l'échantillon liquide dans une colonne pour chromatographie en phase gazeuse. Un autre objet de la présente invention est de 15 fournir un procédé d'injection en colonne en chromatographie en phase gazeuse qui puisse fournir des chromatogrammes de bonne qualité avec des échantillons de dimensions relativement grandes sans provoquer de distorsion non admissible de la forme du pic donnant des informations 20 chromatographiques inutilisables. Les objectifs ci-dessus ainsi que d'autres objectifs sont atteints par application de techniques de concentration du soluté à l'injection en colonne La zone d'injection ou l'extrémité d'entrée de la colonne chroma25 tographique est maintenue à une température inférieure au point d'ébullition du solvant tandis que la zone en aval adjacente est maintenue à une température plus élevée,de sorte que l'on réalise les caractéristiques suivantes pour un procédé idéal d'injection en colonne: ( 1) permettre 30 l'injection d'un échantillon liquide; ( 2) vaporiser et séparer le solvant des molécules de soluté rapidement après l'injection; ( 3) appliquer une technique de concentration du soluté pour diminuer l'étalement de la zone initiale des molécules de soluté; et ( 4) créer des zones d'injection et de vaporisation programmées en température séparément pour obtenir la séparation et la vitesse d'analyse optimales. La Fiqure la et lb rmeiste schématiquement le prin5 cipe de la technique de concentration du soluté qui est appliquée à l'injection en colonne selon la présente invention. La figure 2 représente une partie des résultats expérimentaux obtenus selon le procédé de la présente in10 vention montrant les effets de l'augmentation de la dimension de l'échantillon sur la forme du pic. La figure 3 représente le résultat d'une expérience comparée sans concentration du soluté qui montre les effets de l'augmentation de la dimension de l'échan15 tillon sur la forme du pic. La technique de concentration du soluté selon la présente invention peut être mise en oeuvre par exemple par emploi de l'injecteur en colonne pour chromatographie en phase gazeuse décrit par P L Feinstein dans la demande 20 de brevet US N 342 958 déposée le 26 Janvier 1982 (Varian Associates) Le principe du procédé est représenté schématiquement sur les figures l(a) et (b) Pour simplifier, la figure 1 illustre une situation dans laquelle l'échantillon liquide introduit dans une colonne 11 par une ai25 guille 12 est constitué par les molécules d'une seule sorte de soluté et d'une seule sorte de solvant (représentés par des cercles hachurés et des cercles vides respectivement) Une portion d'entrée 15,désignée par"zone d'injection", de la colonne 11, est entourée par un moyen 30 de régulation de la température 25 comprenant par exemple un réchauffeur electrique et un refroidisseur cryogénique pour réguler la température de la zone d'injection 15. La zone à l'intérieur de la colonne 11 adjacente à la zone d'injection 15 et en aval de celle-ci est désignée par zone de vaporisation 16 et est entourée par un deuxième moyende régulation de la temperature (four de colonne) 26 qui régule la température de la zone de vaporisation 16 Ainsi, il est possible de réguler les tempé5 ratures de l'injecteur et du four indépendamment l'une de l'autre et de choisir différentes combinaisons de ces températures. En fonctionnement, par exemple, on injecte l'échantillon comme il est montré sur la figure l(a) à l'état liquide Pour concentrer le soluté, on maintient la zone d'injection 15 à une température inférieure de 20 à 40 C au point d'ébullition du solvant pendant l'injection, tandis que l'on chauffe la zone de vaporisation 16 à une température supérieure de 10 à 20 C au point d'ébullition du 15 solvant Pendant l'injection, la zone d'injection relativement froide est inondée jusqu'à un certain point par l'échantillon liquide Tandis que le liquide est déplacé vers l'aval par le courant de vecteur et entre dans la zone de vaporisation chaude 16, le solvant s'évapore ra20 pidement et est entraîné par la phase mobile, ce qui laisse les solutés piégés dans une bande de liquide stationnaire étroite sur le front de la zone de vaporisation 16 ( figure l(b)) Les molécules qui peuvent refluer de la zone de vaporisation 16 se recondensent dans la zone d'injection 25 15 maintenue entre temps à une basse température de zone d'injection. Immédiatement après l'introduction de l'échantillon de liquide, on élève rapidement la température de la zone d'injection jusqu'à un niveau nettement supérieur 30 au point d'ébullition du solvant Ceci a pour effet de chasser tout résidu d'échantillon vers la zone de vaporisation 16, o les molécules de soluté sont piégées et concentrées dans une largeur de bande d'échantillon injecté très étroite. 7. Après que la zone d'injection 15 a atteint cette température finale, on met en marche la programmation normale de la température du four de sorte que l'on peut réaliser l'injection en colonne dans les conditions non vapo5 risantes correctes, tout en évitant d'inonder une importante section de la colonne U N e N t r a 1 N e m e N t d e 1 a S e c t i o N d'entrée n'est pas nécessaire puisque le rétrécissement de la bande est obtenu par une combinaison de concentration thermique et de concentra10 tion par rétention (piège à froid) Le reflux de vapeur pendant l'injection dans la zone d'injection refroidie 15 n'est pas un problème puisque l'ensemble de la zone est chauffé après l'injection. Les effets, observés expérimentalement,de l'aug15 mentation de la dimension de l'échantillon sur la forme du pic chromatographique sont présentés dans le tableau I ci-dessous avec et sans concentration du soluté Dans ces expériences, l'échantillon est un mélange de nalcanesdans l'iso-octane (point d'ébullition 98 C) Dans le cas de con20 centration du soluté, on élève la température de la zone d'injection de 20 C jusqu'à 3000 C à une vitesse de 180 C par minute tandis que l'on maintient initialement la température de la zone de vaporisation à 110 C pendant une minute, et ensuite on l'élève à 3000 C à une vitesse de 10 C par minute Dans le cas sans concentration de soluté, les températures de la zone de réaction et de la zone de vaporisation sont les mêmes et sont maintenues initialement pendant une minute à 80 C et ensuite montées à 300 C a une vitesse de 10 C par minute La figure 2 présente les chromatogrammes obtenus avec concentration du soluté dans ces conditions A la différence des résultats obtenus sans concentration du soluté (figure 3), ces chromatogrammes,obtenus pour des dimensions d'échantillon de 1 à 8 microlitres présentent une forme de pic excellente et des largeurs de pic presque constantes pour des dimensions d'échantillon injecté de 1 à 8 microlitres Le tableau I donne les largeurs de pic déterminées expérimentalement à mi-hauteur pour plusieurs pics des chromatogrammes ob5 tenus avec et sans concentration du soluté. TABLEAU I Quantité Soluté Avec concentra Sans concentrainjectée tion du soluté tion du soluté (micro10 litres) 1,0 n-C 26 3,1 3,5 n-C 30 3,0 5,5 n-C 44 2,6 5, 4 ,0 n-C 26 3,2 14,4 n-C 30 3,0 17,1 n-C 44 3,8 18,2 8,0 n-C 26 3,2 21,7 n-C 30 3,1 22,9 n-C 44 4,0 26,7 La présente invention aété décrite cidessus du point de vue du procédé général et pour une série d'expériences Toutefois, la description ci-dessus doit être considérée comme illustrative-plutôt que limitative et par conséquent, la présente invention doit être interpré25 tée au sens large Par exemple, la figure 1 doit être interprétée uniquement comme une illustration schématique, de sorte que les relations dimensionnelles décrites ne sont pas censées être réalistes Cependant, la longueur de la zone d'injection est normalement comprise entre 10 et 15 cm et la phase stationnaire peut soit être présente, soit avoir été entraînée. Les températures de la zone d'injection et de la zone de vaporisation peuvent aussi être ajustées de façon adéquate, bien que la température de la zone de vaporisation doive être habituellement supérieure de plus de 10 C au point d'ébullition du solvant sous 102 k Pa. Cette température initiale de zone de vaporisation dans un système pneumatique à écoulement constant peut être déterminée par et optimisée pour la séparation chromatographique et la vitesse d'analyse Elle peut être supérieure de plus de 10 à 150 C au point d'ébullition du solvant pour permettre une analyse plus rapide si les constituants intéressants du soluté peuvent être séparés de fa10 çon satisfaisante Dans un système pneumatique sous pression constante, toutefois, la température initiale de zone de vaporisation utilisable est limitée à 10 à 150 C audessus du point d'ébullition du solvant Ceci est du au fait qu'une température de zone de vaporisation élevée pourrait provoquer une vaporisation rapide et une augmentation de pression rapide à l'intérieur de la colonne qui pourrait forcer l'échantillon liquide à refluer vers l'injecteur, ce qui aurait pour résultat une perte d'échantillon, et une distorsion de la forme du pic Un système pneu20 matique sous pression constante a aussi des limites du point de vue de la dimension de l'échantillon utilisable du fait que la pression gazeuse combinée du gaz vecteur et de l'échantillon vaporisé à l'intérieur de la colonne peut dépasser la pression dans la zone d'injection pendant l'opération d'injection La technique proposée de concentration du soluté donne les meilleurs résultats dans un système pneumatique à écoulement constant avec un injecteur en colonne étanche au gaz Une injection en colonne lente d'un échantillon de grande dimension dans un système 30 pneumatique à écoulement constant empêche le reflux de l'échantillon vaporisé à l'intérieur de la colonne du fait qu'un écoulement constant de gaz vecteur dans la colonne est maintenu par le régulateur d'écoulement constant La portée de l'invention est définie uniquement par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1 Procédé pour concentrer un soluté lors de l'introduction d'un échantillon liquide dans une colonne de chromatographie en phase gazeuse, cet échantillon liquide 5 comprenant des molécules de soluté et un solvant, ce procédé comprenant les étapes suivantes: création à l'extrémité d'entrée de cette colonne d'une première zone à température contrôlée, injection de l'échantillon dans cette première 10 zone à température contrôlée lorsque la température de cette zone à température contrôlée est égale à T 1, qui est inférieure au point d'ébullition (TE) du solvant et élévation de la température de cette première zone à température contrôlée de T 1 à T 2, T 2 étant supé15 rieure à TE. 2 Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre les étapes de création d'une seconde zone à température contrôlée dans cette colonne pratiquement adjacente à la première zone à température contrôlée et en aval de celle-ci et maintien, pendant l'étape d'injection, de la température de la seconde zone à température contrôlée à T T étant supérieur à TE. 3 ' 3 E 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que T 3 est supérieur à T 2. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape d'élévation de la temperature est réalisée par un premier moyen de régulation de la température qui entoure ladite colonne au niveau de la première zone à température contrôlée. 5 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de maintien de la température de la seconde zone à température contrôlée est réalisée par un second moyen de régulation de la température qui entoure la colonne au niveau de la deuxième zone à température contrôlée. 6 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que T 3-TE est de l'ordre de 10 à 15 C.