Spectromètre LabRam HR UV-vis-NIR (détail)

Spectromètre LabRam HR UV-vis-NIR (détail)

Chromatographie phase gazeuse - Spectrométrie de masse

Théorie

Responsable : MANGEMATIN Stephane

La chromatographie en phase gazeuse

Bref historique

La chromatographie gaz-liquide est née en 1952 avec Martin et James. La chromatographie en phase gazeuse a vécu son âge d’or entre 1955 et 1960, avec l’invention des colonnes capillaires par Golay en 1957 et du détecteur à ionisation de flamme en 1958.

Qu’est ce que la chromatographie en phase gazeuse ?

La chromatographie en phase gazeuse est une méthode d’analyse par séparation qui s’applique aux composés gazeux ou susceptibles d’être vaporisés par chauffage sans décomposition. Ainsi la méthode s’applique à l’analyse des gaz de l’atmosphère ou du pétrole ou à des mélanges de liquides volatils. L’instrument qui permet la mise en œuvre de cette technique, le chromatographe, réalise à la fois la séparation des constituants de l’échantillon et la mesure des quantités de produits séparées. Enfin, une qualité essentielle de la chromatographie en phase gazeuse tient à la possibilité d’opérer sur de très petites quantités d’échantillon, de l’ordre du milligramme et généralement moins.

Schéma de principe de la chromatographie par phase gazeuse

Comment fonctionne un chromatographe ?

Le cœur du chromatographe est la colonne. C’est un tube qui renferme une substance active, solide ou liquide, appelée phase stationnaire . La colonne est balayée en permanence par un gaz appelé gaz vecteur.

Le processus chromatographique est discontinu. À l’instant initial, l’échantillon est introduit en tête de colonne dans l’injecteur. Les constituants du mélange sont alors entraînés par le gaz vecteur dans la colonne et vont se détacher les uns des autres selon leur affinité pour la phase stationnaire. Les différents constituants ainsi séparés sont enregistrés en sortie de colonne par le détecteur. On observe à la sortie de chaque composé et grâce aux ressources de l’électronique, un pic qui se détache de la ligne de base enregistrée en l’absence de constituant. L’ensemble constitue le chromatogramme. Sur ce chromatogramme, l’abscisse des sommets des pics, le temps de rétention, permet de caractériser qualitativement les constituants du mélange. L’ordonnée des sommets ou la surface des pics permet de mesurer la quantité de chaque soluté séparé dans l’échantillon.

Il existe de nombreux types de détecteurs, universels ou spécifiques. Parmi les premiers on peut citer le catharomètre, le détecteur à ionisation de flamme, le spectromètre infra-rouge et le spectromètre de masse.

La détection par spectrométrie de masse

Bref historique

La méthode de spectrométrie de masse est née en 1910 avec J.J. Thomson qui pouvait séparer les isotopes 20Ne et 22Ne. Deux aspects en ont fait une méthode analytique importante à partir de 1960 :

  • de très petites quantités de substance suffisent pour déterminer la masse moléculaire relative et même la composition élémentaire d’un composé,
  • fragmentation représentée par le spectre de masse, permet d’établir des prévisions importantes à propos de la structure.

Il existe des limites à cette méthode de détermination de la masse moléculaire relative. Certains composés peuvent subir une décomposition thermique lors de la vaporisation. Ainsi, différents procédés ont été développés qui, contrairement à l’ionisation par impact électronique, permettent dans un plus grand nombre de cas de déterminer les masses moléculaires : ionisation chimique, ionisation de champ, désorption de champ, ionisation par bombardement d’ions, ionisation par bombardement d’atomes rapides, méthode Electrospray. Nous traiterons ici uniquement l’ionisation par impact électronique.

Pourquoi utiliser un spectromètre de masse comme détecteur chromatographique ?

La chromatographie est avant tout une méthode séparatrice, avec quelques possibilités d’identification ; une situation à l’inverse de la spectrométrie de masse, qui est une méthode essentiellement d’identification. Le couplage CPG/SM réunit le meilleur de ces deux méthodes analytiques puissantes.

Principe du spectromètre de masse

Si des particules chargées positivement et accélérées se trouvent en phase gazeuse, un champ magnétique homogène les séparera proportionnellement à leur masse. Un spectromètre de masse peut être décomposé en quatre parties qui correspondent à quatre fonctions : introduction de l’échantillon, génération des ions, séparations des masses et détection des ions. A l’exception de la partie « introduction de l’échantillon », les autres régions sont sous vide afin d’éviter les collisions non souhaitées entre les ions et les molécules ou les atomes.

Représentation schématique d’un spectromètre de masse

Introduction de l’échantillon

Le problème est d’injecter un échantillon à pression normale dans le vide poussé sans rompre ce vide poussé. Il y a fondamentalement deux types de systèmes d’injection, l’introduction gazeuse et l’introduction directe. Les substances volatiles sont dans notre cas introduites dans le spectromètre de masse via un appareil de chromatographie en phase gazeuse.

Ionisation

le courant de molécules s’écoule dans la source et subit perpendiculairement un courant électronique crée entre un filament chaud (la cathode) et une anode. La différence de potentiel entre la cathode et l’anode varie entre 0, et, en général, 300V. Pour les spectres de basse tension, on utilise un courant de 12 à 15eV ; pour les spectres standard on utilise un courant de 60 à 100eV, généralement 70eV. L’interaction des électrons et des molécules neutres génère des ions moléculaires chargés positivement :

Les particules non ionisées sont éloignées de la source par le vide poussé. Les ions moléculaires produits dans la source sont maintenant accélérés et focalisés.

Séparation des masses

la séparation des ions en fonction de leur masse s’effectue dans l’analyseur. Le rapport masse/charge est fonction de l’intensité du champ magnétique, du rayon de déviation et du potentiel d’accélération. Cette relation a permis de développer des techniques instrumentales spécifiques pour la détection directe des ions. Nous traiterons ici uniquement de l’analyseur de masse à quadripôle.

Le filtre quadripolaire est constitué par l’assemblage de quatre barres métalliques parallèles reliées électriquement entre elles et sur lesquelles on applique un potentiel constant et un potentiel modulé de fréquence radio. Sous l’effet de ces champs les ions, issus de la source, oscillent le long de l’axe z et seuls ceux ayant un rapport masse/charge déterminé pourront traverser le filtre. La variation en amplitude des tensions appliquées aux barres permet donc, en fonction du temps, d’obtenir un spectre de masse.

Schéma de séparation des masses et détection des ions

Détection des ions

les ions sont ensuite collectés sur un multiplicateur d’électrons qui assure deux fonctions. Convertir le courant d’ions qui parvient sur une cible collectrice en un courant électronique et multiplier le nombre d’électrons en créant des électrons secondaires par impacts successifs sur 10 à 20 plaques.

La fragmentation de composés organiques : pour être reproduits dans la littérature, les spectres mesurés sont représentés de telle sorte que le pic le plus intense (pic de base) correspond à 100% ; tous les autres signaux sont reportés proportionnellement selon cette échelle relative.

Fragmentation de composés organiques : exemple de la cyclohexanone

Ion moléculaire

mises à part quelques exceptions, le signal ayant la plus grande masse correspond au pic de l’ion moléculaire. Font exception, les signaux appelés [M+1]+ ou [M+H]+ qui résultent de la tendance des ions H+ à s’accumuler dans les molécules. C’est le cas des amines et des alcools. De plus, parfois, le signal M+Ÿ n’est pas observé. A sa place on observe le signal de l’ion [M-R]+. Ceci arrive lorsque le composé se décompose très facilement.

Les composés organiques sont généralement constitués d’atomes de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote. Ils comportent parfois des atomes de soufre, de phosphore et d’halogène. La plupart de ces éléments ne sont pas monoisotopiques et sont constitués d’un mélange d’isotopes naturels. La proportion de ce mélange en isotopes est également visualisée dans leurs spectres de masse. Trois catégories peuvent être définies parmi les éléments les plus importants :

  • les éléments monisotopiques : 19F, 31P, 127I,
  • les éléments ayant un isotope très abondant (>98%) : 1H, 12C, 14N, 16O,
  • les éléments ayant deux isotopes abondants 32S et 34S, 35Cl et 37Cl, 79Br et 81Br.

En fonction de la teneur de ces éléments dans le composé étudié, le pic de l’ion moléculaire est accompagné d’un ou plusieurs pics isotopiques, qui se trouvent toujours à des masses supérieures. De plus, l’ion moléculaire représente l’ion qui, dans le spectre, possède le potentiel d’apparition le plus faible. Afin d’éloigner un électron d’un atome ou d’une molécule neutre, un minimum d’énergie, appelé potentiel d’ionisation, est nécessaire. Pour les composés organiques, cette énergie se situe entre 7 et 14eV. Pour la formation des ions fragments, une énergie de dissociation supplémentaire doit être fournie, de telle sorte que les potentiels d’apparition des ions fragments sont supérieurs à celui de l’ion moléculaire.

Références

J. Tranchant, « Manuel pratique de chromatographie en phase gazeuse »

M. Hesse, « Méthodes spectroscopiques pour la chimie organique »

Pretsch, « Structure Determination of Organic Compounds »

R.M. Silverstein, « Spectrometric Identification of Organic Compounds »